DE102020214445B3

DE102020214445B3 - Mems-aktor und verfahren zum steuern einesmems-aktors

Info

Publication number: DE102020214445B3
Application number: DE102020214445.1A
Authority: DE
Inventors: Harald Schenk; Matthieu Gaudet; . Shashank
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2040-11-18
Also published as: WO2022106492A1

Abstract

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung sieht einen MEMS-Aktor vor, der zumindest eine Aktorzelle aufweist. Die Aktorzelle weist ein erstes Verbindungsstück und ein zweites Verbindungsstück auf. Eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück weist zumindest eine Verbindereinheit auf. Die Verbindereinheit weist einen ersten Balken und einen zweiten Balken auf, der in Reihe mit dem ersten Balken verbunden ist, um für eine mäanderförmige Form zu sorgen. Zumindest der erste Balken weist eine Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktorelementen auf, die dazu konfiguriert sind, bei Betätigung eine Biegung des ersten Balkens zu ändern.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf MEMS-Aktoren. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Steuern eines MEMS-Aktors.
Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf sich ausdehnende und zusammenziehende Biegeaktorkonfigurationen für Bewegungs- und Krafterzeugung in einer einzelnen oder in mehreren Dimensionen.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Mikrosysteme oder mikroelektromechanische Systeme (MEMS). Ausführungsbeispiele umfassen Biegeelemente basierend auf elektrostatischer Betätigung, piezoelektrischer Betätigung, thermischer Betätigung, elektromagnetischer Betätigung oder einer Kombination daraus als aktives Element. Im Einzelnen beziehen sich einige Ausführungsbeispiele auf Zellen mit nanoskopischem elektrostatischem Antrieb (NED, Nanoscopic Electrostatic Drive) als aktives Element, wie in [1] beschrieben. Ausführungsbeispiele weisen Anordnungen von Biegezellen in Reihen und/oder parallel auf, die dazu verwendet werden können, sich ausdehnende Konfigurationen, sich zusammenziehende Konfigurationen und/oder Kombinationen daraus zu erzeugen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung können sich ausdehnende und sich zusammenziehende Konfigurationen umfassen, die dazu gestaltet sind, in Synchronisation zueinander zu stehen, oder die für eine beabsichtigte Nichtsynchronisation für die erforderlichen Bewegungen und zur Überwachung gestaltet sind.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Aktorkonfigurationen, die für Anwendungen verwendbar sind, wie etwa Mikropositionierung von Objekten (planar und/oder nicht planar), aktive Elemente von Mikrolautsprechern, Mikropumpen, Mikroventilen, Mikrogreifern, Mikrooptikbanken, Mikrosystemanordnungen, usw.
Hintergrund der Erfindung
Im Stand der Technik sind verschiedene Arten von Betätigungselementen bekannt, darunter beispielsweise ein nanoskopischer elektrostatischer Antrieb [1]. Weitere bekannte Betätigungselemente umfassen thermische und piezoelektrische Biegeelemente. Ferner sind thermische Aktoren [2, 3, 4] und piezoelektrische Aktoren [5, 6] dazu verwendet worden, sich ausdehnende und sich zusammenziehende Anordnungen von MEMS-Aktoren zu gestalten, wobei für planare oder nicht planare Positionierung gesorgt wird.
Beispielsweise zeigen US 2007/0 103 029 A1 und WO 2005/001863 A1 Systeme, die auf elektrothermischer Betätigung gestapelter Elektroden in einer sich zusammenziehenden Konfiguration basieren. Die gezeigten Systeme setzen auf Eigenspannungstechnik in den gestapelten Elektroden, um den erforderlichen Raum zur Bewegung bei Freigabe zu schaffen. WO 00/67268 A1 zeigt ein weiteres Beispiel eines Systems, das auf elektrothermischer Betätigung von Elektroden in einer sich zusammenziehenden und sich ausdehnenden Konfiguration basiert. US 7420318 B1 und US 2008/0 061 916 A1 zeigen Systeme, die auf piezoelektrischer Betätigung von Elektroden basieren, um eine Konfiguration zu schaffen und auszudehnen. Fernerzeigen US 2010/0 033 788 A1 , US 2011/0 292 490 A1 , US 2019/0 039 881 A1 und US 2020/0 096 761 A1 Systeme, die auf elektrothermischer Betätigung gestapelter Elektroden für sich zusammenziehende nicht planare Konfigurationen basieren, welche auf Eigenspannungstechnik in den gestapelten Elektroden setzen, um den erforderlichen Raum zur Bewegung bei Freigabe zu schaffen. Ferner zeigt die DE 10 2017 206 766 A1 einen MEMS-Wandler zur Interaktion mit einem Volumenstrom, welcher ein sich in zumindest einer Bewegungsebene einer Mehrzahl von Substratebenen verformbares Element aufweist. In der US 2013/0 301 103 A1 sind piezoelektrische Aktoren gezeigt, um einen Spiegel um die X-Achse beziehungsweise die Y-Achse zu bewegen, welche in der Ebene des Spiegels angeordnet sind.
Kurzdarstellung der Erfindung
Trotz der bestehenden Lösungen ist es wünschenswert, ein Konzept für einen MEMS-Aktor zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss zwischen genauer Positionierung, großem Positionierungsbereich, energieeffizienter Betätigung und Gestaltungsflexibilität bereitstellt, um beispielsweise eine lineare und/oder rotatorische Bewegung zu ermöglichen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung stellt einen MEMS-Aktor bereit, der zumindest eine Aktorzelle aufweist. Die Aktorzelle weist ein erstes Verbindungsstück und ein zweites Verbindungsstück auf. Eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück weist zumindest eine Verbindereinheit auf. Die Verbindereinheit weist einen ersten Balken und einen zweiten Balken auf, der in Reihe mit dem ersten Balken verbunden ist, um für eine Mäanderform zu sorgen. Zumindest der erste Balken weist eine Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktorelementen auf, die dazu konfiguriert sind, eine Biegung des ersten Balkens bei Betätigung zu ändern.
Aufgrund der durch den ersten und den zweiten Balken bereitgestellten Mäanderform ermöglicht die Änderung der Biegung des ersten Balkens eine Anwendung einer Kraft zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück in einer Richtung, die zumindest teilweise parallel zu einer Axialrichtung der Aktorzelle ist, entlang welcher das erste und das zweite Verbindungsstück angeordnet sein können. Beispielsweise kann die Kraft für eine lineare Bewegung des zweiten Verbindungsstückes relativ zu dem ersten Verbindungsstück oder für eine Änderung einer relativen Ausrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück sorgen. Eine Vergrößerung einer durchschnittlichen Biegung des ersten Balkens und/oder des zweiten Balkens kann für eine Ausdehnungskraft zwischen der ersten und der zweiten Verbindungseinheit sorgen, während eine Verkleinerung einer durchschnittlichen Biegung des ersten Balkens und/oder des zweiten Balkens für eine Kontraktionskraft zwischen der ersten und der zweiten Verbindungseinheit sorgen kann. Die Reihenanordnung von Aktorelementen des ersten Balkens ermöglicht eine flexible Gestaltung der Verbindereinheit. Beispielsweise können die Aktorelemente angeordnet sein, um für eine lineare Bewegung, eine winklige Bewegung, eine Rotationsbewegung und/oder multidirektionale Bewegungen zu sorgen, wobei unterschiedliche Arten von Bewegungen und/oder Bewegungen in unterschiedliche Richtungen unabhängig voneinander oder simultan ausgeführt werden können. Ferner ermöglicht die Reihenanordnung von Aktorelementen es, den ersten Balken so zu gestalten, dass eine Belastung in dem ersten Balken reduziert oder sogar vermieden wird, unabhängig davon, ob ein oder mehrere oder alle Aktorelemente des ersten Balkens betätigt werden oder nicht. Mit anderen Worten kann die Reihenanordnung der Aktorelemente für eine belastungsfreie Bewegung oder eine Bewegung mit niedriger Belastung sorgen. Eine Belastung in der ersten Richtung zu vermeiden, erhöht die verwendbare Kraft des MEMS-Aktors, eine Bewegungsreichweite und eine Energieeffizienz des MEMS-Aktors. Aufgrund der niedrigen Belastung in dem ersten Balken kann der MEMS-Aktor für eine hohe Bewegungsfrequenz oder eine hohe Bewegungsauflösung sorgen. Beispielsweise können Beispiele aufgrund einer niedrigen Belastung für eine Ausdehnung oder Kontraktion einer Aktorzelle von wenigen Nanometern bis Hunderten von µm, im Einzelnen von über 10 µm, sorgen.
Die Reihenanordnung von Aktorelementen ermöglicht es ferner, den ersten Balken in einer sich ausdehnenden Konfiguration zu gestalten, das heißt, die Aktorelemente können dazu konfiguriert sein, bei Betätigung für eine Vergrößerung eines Abstandes zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück zu sorgen. Ferner kann die Reihenanordnung von Aktorelementen die Gestaltung einer sich zusammenziehenden Konfiguration ermöglichen, das heißt, die Aktorelemente sind dazu konfiguriert, bei Betätigung eine Verkleinerung eines Abstandes zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück bereitzustellen. Die Möglichkeit der Gestaltung einer sich ausdehnenden und einer sich zusammenziehenden Konfiguration gemeinsam mit einer hohen Gestaltungsflexibilität für die Reihenanordnung von Aktorelementen in dem ersten Balken ermöglicht es ferner, einen MEMS-Aktor zu gestalten, bei dem ein Zusammenspiel zwischen einer sich ausdehnenden Konfiguration und einer sich zusammenziehenden Konfiguration eine besonders niedrige Belastung oder sogar gar keine Belastung verursacht. Mit anderen Worten ermöglicht das offenbarte Konzept die Gestaltung von sich ausdehnenden Konfigurationen und sich zusammenziehenden Konfigurationen, so dass Bewegungen der sich ausdehnenden Konfigurationen und der sich zusammenziehenden Konfigurationen bei Betätigung synchronisiert sind. Mit anderen Worten vereinfacht das Konzept neben dem Ermöglichen einer individuellen und/oder gemeinsamen Steuerung der sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Konfigurationsbereiche aufgrund des Gestaltungsprinzips und des Antriebsmechanismus außerdem die Herstellung einer Synchronisation zwischen den sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Konfigurationen.
Ferner ermöglicht die Reihenanordnung von Aktorelementen eine Anordnung von sich zusammenziehenden Konfigurationen, ohne notwendigerweise auf die Eigenspannungstechnik zu setzen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verbindereinheit eine erste Verbindereinheit, und die mechanische Verbindung weist eine zweite Verbindereinheit auf. Beispielsweise kann die zweite Verbindereinheit einen ersten Balken und einen zweiten Balken aufweisen, der in Reihe mit dem ersten Balken verbunden ist, um für eine Mäanderform zu sorgen. Beispielsweise weist der erste Balken der zweiten Verbindereinheit eine Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktorelementen auf, die dazu konfiguriert sind, bei Betätigung eine Biegung der ersten oder der zweiten Verbindereinheit zu ändern. Mit anderen Worten kann die zweite Verbindereinheit bei Beispielen Merkmale aufweisen, die äquivalent zu denen der ersten Verbindereinheit sind. Bei anderen Beispielen kann die zweite Verbindereinheit inaktiv sein, oder kann Aktorelemente aufweisen, die im Vergleich zu der Beschreibung der ersten Verbindereinheit unterschiedlich angeordnet sind. Die zweite Verbindereinheit ist symmetrisch zu der ersten Verbindereinheit in Bezug auf das erste und das zweite Verbindungsstück angeordnet. Somit kann eine symmetrische Betätigung der Aktorelemente der ersten Aktoreinheit und der zweiten Aktoreinheit beispielsweise eine lineare Bewegung des zweiten Verbindungsstückes in Bezug auf das erste Verbindungsstück entlang einer Axialrichtung der Aktorzelle zur Folge haben. Beispielsweise kann eine asymmetrische Betätigung eine Änderung einer Ausrichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück zur Folge haben. Eine zweite Verbindereinheit aufzuweisen, sorgt für eine erhöhte Kraft des MEMS-Aktors sowie eine erhöhte Stabilität. Eine erste Verbindereinheit und eine zweite Verbindereinheit aufzuweisen, erhöht eine Flexibilität bei der Implementierung unterschiedlicher Bewegungsarten, etwa rotatorische und lineare Bewegungen. Eine erhöhte Stabilität der Aktorzelle kann eine Bewegungsgenauigkeit der Aktorzelle vergrößern.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Offenbarung sieht einen MEMS-Aktor vor. Der MEMS-Aktor weist zumindest eine erste Aktorzelle und eine zweite Aktorzelle auf, die jeweils ein erstes Verbindungsstück und ein zweites Verbindungsstück aufweisen. Eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück weist zumindest eine Verbindereinheit auf. Die Verbindereinheit weist zumindest einen Balken auf, wobei der Balken eine Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktorelementen aufweist. Die Aktorelemente der ersten Aktorzelle sind dazu konfiguriert, bei Betätigung die Biegung des Balkens der ersten Aktorzelle zu verringern. Die Aktorelemente der zweiten Aktorzelle sind dazu konfiguriert, bei Betätigung die Biegung des Balkens der zweiten Aktorzelle zu vergrößern. Für die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschriebene Funktionalitäten und Vorteile können je nach Eignung optional auch auf dieses Ausführungsbeispiel angewendet werden. Da der MEMS-Aktor die erste Aktorzelle mit einer sich zusammenziehenden Konfiguration und die zweite Aktorzelle mit einer sich ausdehnende Konfiguration aufweist, kann dieser für ein Zusammenspiel zwischen sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Konfigurationen sorgen.
Die folgenden Ausführungsbeispiele können sich auf jegliche oben beschriebene MEMS-Aktoren beziehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Aktorzellen der ersten Verbindereinheit unabhängig von Aktorelementen der zweiten Verbindereinheit ansprechbar. Somit kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer individuellen Betätigung der ersten und der zweiten Verbindereinheit eine lineare Bewegung oder eine Änderung einer Ausrichtung, also eine Rotation, des ersten Verbindungsstückes in Bezug auf das zweite Verbindungsstück ausgeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Reihenanordnung der Aktorelemente der ersten Verbindereinheit und eine Reihenanordnung von Aktorelementen der zweiten Verbindereinheit dazu konfiguriert, eine Bewegung des ersten und/oder des zweiten Verbindungsstückes bereitzustellen. Die Bewegung weist eine axiale Bewegung des zweiten Verbindungsstückes in Bezug auf das erste Verbindungsstück entlang einer Axialrichtung, eine außeraxiale Bewegung des ersten und/oder des zweiten Verbindungsstückes in einer Richtung, die sich von der Axialrichtung unterscheidet, und/oder eine planare Rotation des ersten und/oder des zweiten Verbindungsstückes in Bezug auf ein MEMS-Substrat auf.
Die axiale Richtung kann eine Richtung sein, entlang der das erste und das zweite Verbindungsstück zumindest für einen vorbestimmten Betätigungszustand, beispielsweise einen unbetätigten oder einen vollständig betätigten Betätigungszustand, der ersten und der zweiten Verbindereinheit angeordnet sind. Beispielsweise kann eine außeraxiale Bewegung eine Änderung einer Ausrichtung zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück aufweisen.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind der ersten Balken und der zweite Balken so angeordnet, dass bei einer Betätigung der Aktorelemente eine Position und/oder eine Ausrichtung des zweiten Verbindungsstückes in Bezug auf das erste Verbindungsstück bewegt wird. Beispielsweise wird die Position entlang einer Axialrichtung bewegt, beispielsweise einer planaren Richtung.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist ein erstes Ende des ersten Balkens mit einem ersten Ende des zweiten Balkens verbunden. Beispielsweise können die ersten Enden direkt oder indirekt verbunden sein, beispielsweise über einen Verbinder. Das zweite Ende des ersten Balkens ist mit einem des ersten und des zweiten Verbindungsstückes verbunden und das zweite Ende des zweiten Balkens ist mit dem anderen des ersten und des zweiten Verbindungsstückes verbunden. Die ersten Enden des ersten Balkens und des zweiten Balkens sind außerhalb einer Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück positioniert, um eine Mäanderform zu implementieren.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind der erste Balken und der zweite Balken so angeordnet, dass eine Betätigung der Aktorelemente oder des MEMS eine Änderung eines Abstandes zwischen den jeweiligen zweiten Enden des ersten Balkens und des zweiten Balkens zur Folge hat. Beispielsweise sind der erste Balken und der zweite Balken im Wesentlichen senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück angeordnet. Beispielsweise ist die Reihenanordnung der Aktorelemente entlang einer Richtung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende des ersten Balkens angeordnet.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind das erste und das zweite Verbindungsstück des ersten und des zweiten Balkens planar in Bezug auf ein MEMS-Substrat angeordnet. Die ersten Enden des ersten und des zweiten Balkens sind zumindest in einer oder mehr planaren Richtungen bewegbar. Beispielsweise sind die ersten Enden in einer Richtung parallel zu der Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück bewegbar.
Da die ersten Enden bewegbar sind, können der erste und der zweite Balken zu einer Bewegung des ersten Verbindungsstückes in Bezug auf das zweite Verbindungsstück beitragen. Somit kann eine größere zurückgelegte Strecke erzielt werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist der erste Balken so konfiguriert, dass zumindest ein Bereich des ersten Balkens in einer ersten Biegerichtung gebogen ist, wenn derselbe in einem unbetätigten Zustand ist, und der Bereich des ersten Balkens in einer zweiten Biegerichtung gebogen ist, die der ersten Biegerichtung entgegengesetzt ist, wenn derselbe in einem vorbestimmten betätigten Zustand ist. Somit kann der ersten Balken für eine symmetrische oder asymmetrische Bewegung um eine gerade Stellung herum sorgen, die der ersten Balken aufweisen kann, wenn er in einem weiteren Betätigungszustand ist. Beispielsweise kann solch eine Bewegung für eine Pumpe oder zur Schallerzeugung vorteilhaft sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die ersten und zweiten Verbindungsstücke des ersten und des zweiten Balkens planar in Bezug auf ein MEMS-Substrat angeordnet. Die Betätigung der Aktorelemente des ersten Balkens hat eine Änderung einer planaren Biegung des ersten Balkens zur Folge. Aufgrund der planaren Biegung wird eine planare Position des zweiten Verbindungsstückes relativ zu dem ersten Verbindungsstück bewegt, wodurch es ermöglicht wird, lineare und/oder rotatorische Bewegungen in der Ebene des Substrates zu implementieren.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist die Reihenanordnung der Aktorelemente zumindest einen ersten Bereich von Aktorelementen und einen zweiten Bereich von Aktorelementen auf. Der erste Bereich ist zum Biegen in einer ersten Biegerichtung konfiguriert. Der zweite Bereich ist zum Biegen in einer zweiten Biegerichtung konfiguriert, die entgegengesetzt ist zu der ersten Richtung. Beispielsweise kann sich eine Biegerichtung auf eine Krümmung des jeweiligen Balkens beziehen. Beispielsweise kann die Reihenanordnung von Aktorelementen in einem betätigten Zustand oder einem unbetätigten Zustand eine S-ähnliche Form aufweisen. Den ersten und den zweiten Bereich mit unterschiedlichen Biegerichtungen aufzuweisen, ermöglicht eine Bewegung des ersten Verbindungsstückes in Bezug auf das zweite Verbindungsstück, während eine mechanische Belastung an einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem ersten Balken und einem Verbindungspunkt zwischen dem zweiten Verbindungsstück und dem zweiten Balken und möglicherweise auch an einem Verbindungspunkt zwischen dem ersten und dem zweiten Balken vermieden wird. Eine Belastung zu vermeiden, verbessert die Langlebigkeit der Aktorzelle und erhöht eine Energieeffizienz für einen Betrieb der Aktorzelle. Beispielsweise kann die S-ähnliche Form für eine bestimmte geradlinige Bewegung sorgen.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist der zweite Balken zumindest einen ersten Bereich von Aktorelementen und einen zweiten Bereich von Aktorelementen auf. Der erste Bereich von Aktorelementen des zweiten Balkens ist gegenüberliegend zu dem ersten Bereich von Aktorelementen des ersten Balkens angeordnet. Der zweite Bereich von Aktorelementen des zweiten Balkens ist gegenüberliegend zu dem zweiten Bereich von Aktorelementen des ersten Balkens angeordnet. Eine Biegerichtung, für die die Aktorelemente des ersten Bereiches des zweiten Balkens konfiguriert sind, ist entgegengesetzt zu der Biegerichtung, für die die Aktorelemente des ersten Bereiches des ersten Balkens konfiguriert sind. Eine Biegerichtung, für die die Aktorelemente des zweiten Bereiches des zweiten Balkens konfiguriert sind, ist entgegengesetzt zu der Biegerichtung, für die die Aktorelemente des zweiten Bereiches des ersten Balkens konfiguriert sind. Mit anderen Worten können sowohl der erste Balken als auch der zweite Balken in einem betätigten Zustand und/oder einem unbetätigten Zustand eine S-ähnliche Form aufweisen. Somit kann eine größere zurückgelegte Strecke erreicht werden, während eine mechanische Belastung niedrig gehalten wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen weisen die Aktorelemente des ersten Balkens ein erstes Aktorelement und ein zweites Aktorelement auf. Das zweite Aktorelement ist unabhängig von dem ersten Aktorelement ansprechbar. Eine unabhängige Betätigung der unterschiedlichen Aktorelemente eines Balkens ermöglicht eine flexible Steuerung der Bewegung des ersten Verbindungsstückes in Bezug auf das zweite Verbindungsstück. Beispielsweise kann eine Rotation einer Ausrichtung des ersten Verbindungsstückes in Bezug auf das zweite Verbindungsstück zum Beispiel ohne eine Bewegung einer Position des ersten Verbindungsstückes und des zweiten Verbindungsstückes realisiert werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist zumindest der erste Balken eine Parallelanordnung einer Mehrzahl von Reihenanordnungen von Aktorelementen auf. Optional kann auch der zweite Balken eine Parallelanordnung einer Mehrzahl von Reihenanordnungen von Aktorelementen aufweisen. Eine Parallelanordnung einer Mehrzahl von Reihenanordnungen von Aktorelementen kann die durch die Aktorzelle erzeugte Kraft erhöhen und/oder kann eine Stabilität der Aktorzelle vergrößern.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist jedes der Aktorelemente eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die gegenüberliegend zu der ersten Oberfläche angeordnet ist. Ein erstes Ende der ersten Oberfläche ist gegenüberliegend zu einem ersten Ende der zweiten Oberfläche angeordnet. Ein zweites Ende der ersten Oberfläche ist gegenüberliegend zu einem zweiten Ende der zweiten Oberfläche angeordnet. Das Aktorelement ist dazu konfiguriert, einen Betrag eines Abstandes zwischen dem ersten und dem zweiten Ende der ersten Oberfläche relativ zu einem Betrag eines Abstandes zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der zweiten Oberfläche zu ändern, so dass eine Änderung einer Biegung des Aktorelementes erzielt werden kann. Innerhalb der Reihenanordnung von Aktorelementen sind die Aktorelemente derart angeordnet, dass die ersten Enden der ersten und der zweiten Oberfläche eines der Aktorelemente gegenüberliegend zu den ersten oder den zweiten Enden der ersten und der zweiten Oberfläche des nachfolgenden Aktorelementes des einen Aktorelementes angeordnet sind. Beispielsweise bezeichnet gegenüberliegend angeordnet benachbart zueinander oder mit einem Abstandselement dazwischen. Aufgrund der Reihenanordnung kann somit die Änderung der Biegung des ersten Balkens (oder des zweiten Balkens) aus der individuellen Änderungen der Biegung der individuellen Aktorelemente resultieren. Somit ermöglicht die Konfiguration der individuellen Aktorelemente der Reihenanordnung eine flexible Gestaltung der Betätigungseigenschaften der Aktorzelle. Im Einzelnen kann ein Biegeverhalten des ersten Balkens und/oder des zweiten Balkens in Abhängigkeit von einer Anwendung der Aktorzelle gestaltet werden. Individuelle Aktorelemente aufzuweisen, ermöglicht es ferner, inaktive Elemente zwischen einem oder mehreren der Aktorelemente einzufügen, was die gestaltete Flexibilität für die Aktorzelle weiter vergrößert.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist das Aktorelement elektrostatische Aktoren, thermische Aktoren, beispielsweise thermoelektrische Aktoren, und/oder piezoelektrische Aktoren auf. Im Vergleich zu thermischen oder piezoelektrischen Aktoren haben elektrostatische Aktoren, beispielsweise NEDs, den Vorteil eines niedrigeren Leistungsverbrauches, eines größeren Verschiebungshubes, einer höheren Antwortfrequenz, einer CMOS-Kompatibilität, zumindest bei dem exemplarischen Fall des NED, eines kleineren Flächenverbrauches für eine gegebene Zielverschiebung und/oder forcieren keine Hysterese. Da das Material elektrostatischer Aktorelemente optional aus Einzelkristallmaterial hergestellt werden kann, können dieselben zumindest in dem exemplarischen Fall für eine höhere Lebensdauer sorgen, beispielsweise aufgrund fehlender Kriechdehnung.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die Aktorzelle eine erste Aktorzelle und der MEMS-Aktor weist ferner eine zweite Aktorzelle auf. Beispielsweise gelten die in Bezug auf die Aktorzelle beschriebenen Merkmale auch für die zweite Aktorzelle, jedoch können die erste Aktorzelle und die zweite Aktorzelle unterschiedlich implementiert sein. Die Aktorelemente der ersten Aktorzelle sind dazu konfiguriert, bei Betätigung die Biegung des ersten Balkens der ersten Aktorzelle zu verkleinern, um beispielsweise den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück zu verringern. Aktorelemente der zweiten Aktorzelle sind dazu konfiguriert, bei Betätigung die Biegung des ersten Balkens der zweiten Aktorzelle zu vergrößern, um beispielsweise den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück der zweiten Aktorzelle zu vergrößern. Mit anderen Worten kann die erste Aktorzelle ein sich zusammenziehende Konfiguration aufweisen, und die zweite Aktorzelle kann eine sich ausdehnende Konfiguration aufweisen. Ein Zusammenspiel zwischen einer sich ausdehnenden Aktorzelle und der sich zusammenziehenden Aktorzelle kann eine gleichförmige Verteilung einer Kraft auf ein zu bewegendes Objekt ermöglichen, so dass eine Bewegung sehr reibungslos ausgeführt werden kann. Bei anderen Beispielen kann ein Zusammenspiel zwischen einer sich ausdehnenden Konfiguration und einer sich zusammenziehenden Konfiguration dazu verwendet werden, eine rotatorische Bewegung zu erzeugen. Da sich die erste Aktorzelle bei Betätigung ausdehnen kann und sich die zweite Aktorzelle bei Betätigung zusammenziehen kann, kann für Anordnungen, bei denen eine sich zusammenziehende und eine sich ausdehnende Konfiguration zu implementieren ist, ein gemeinsames Steuersignal für die erste Aktorzelle und die zweite Aktorzelle verwendet werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen gleicht eine Länge eines Pfades entlang des ersten Balkens der ersten Aktorzelle in einem betätigten Zustand der ersten Aktorzelle im Wesentlichen einer Länge eines Pfades entlang des ersten Balkens der zweiten Aktorzelle in einem betätigten Zustand der zweiten Aktorzelle. Mit anderen Worten gleicht sich ein Pfad entlang des ersten Balkens (und optional auch entlang des zweiten Balkens) der ersten und der zweiten Aktorzelle in den jeweiligen gebogenen Zuständen der ersten und der zweiten Aktorzelle. Den ersten Balken (und optional auch den zweiten Balken) auf diese Weise zu gestalten, ermöglicht eine synchronisierte Bewegung der ersten Aktorzelle und der zweiten Aktorzelle, also eine synchronisierte Bewegung einer sich zusammenziehenden Konfiguration und einer sich ausdehnenden Konfiguration. Die synchronisierte Bewegung kann es beispielsweise ermöglichen, dasselbe Steuersignal an die Aktorelemente der ersten Aktorzelle und der zweiten Aktorzelle anzulegen, ohne dass ein Steuersignal, welches einer der ersten und der zweiten Aktorzelle bereitgestellt wird, in Bezug auf ein Steuersignal angepasst wird, welches der anderen der ersten und der zweiten Aktorzelle bereitgestellt wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen gleichen die Aktorelemente der ersten Aktorzelle den Aktorelementen der zweiten Aktorzelle. Das heißt, die Aktorelemente der ersten Aktorzelle sind von derselben Art und weisen dieselbe Abmessung auf wie die Aktorelemente der zweiten Aktorzelle. Gleiche Aktorzellen sorgen für eine gleiche Antwort der ersten und der zweiten Aktorzelle auf ein gemeinsames Steuersignal, so dass eine einfache Synchronisation einer Bewegung der ersten Aktorzelle und der zweiten Aktorzelle realisiert werden kann.
Gemäß Ausführungsbeispielen sind die Aktorelemente der ersten und der zweiten Aktorzelle dazu konfiguriert, sich ansprechend auf ein Steuersignal zu betätigen, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Der MEMS-Aktor ist dazu konfiguriert, den Aktorelementen der ersten Aktorzelle dasselbe Steuersignal wie den Aktorelementen der zweiten Aktorzelle bereitzustellen. Der ersten und der zweiten Aktorzelle dasselbe Steuersignal bereitzustellen, sorgt für eine einfache Implementierung und ermöglicht eine synchrone Bewegung der ersten und der zweiten Aktorzelle. Ferner kann eine mechanische Belastung in der Anordnung, die die erste und die zweite Aktorzelle aufweist, vermieden werden, selbst in einem Fall von Rauschen in dem Steuersignal.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist der MEMS-Aktor ferner eine bewegliche Struktur auf, beispielsweise eine Stufe. Eine erste Grenze der beweglichen Struktur ist mit dem zweiten Verbindungsstück der ersten Aktorzelle an einem ersten Verbindungspunkt verbunden. Eine zweite Grenze der beweglichen Struktur, die der ersten Grenze gegenüberliegt, ist mit dem zweiten Verbindungsstück der zweiten Aktorzelle verbunden. Eine Axialrichtung der ersten Aktorzelle, entlang der das erste und das zweite Verbindungsstück angeordnet sind, ist antiparallel zu einer Axialrichtung, entlang der das erste und das zweite Verbindungsstück der zweiten Aktorzelle angeordnet sind. Somit kann durch das Ausdehnen der ersten Aktorzelle und durch das Zusammenziehen der zweiten Aktorzelle die bewegliche Struktur entlang der Axialrichtung der ersten und der zweiten Aktorzelle bewegt werden. Vorteilhafterweise werden diese Ausführungsbeispiele mit dem Merkmal kombiniert, dass die ersten Aktorzellen und die zweiten Aktorzellen sich zusammenziehende bzw. sich ausdehnende Konfigurationen sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die erste Aktorzelle Teil einer ersten Aktoreinheit. Die zweite Aktorzelle ist Teil einer zweiten Aktoreinheit. Jede der ersten und der zweiten Aktoreinheit weist eine Reihe von Aktorzellen auf, die entlang einer Axialrichtung der Aktoreinheit angeordnet sind, beispielsweise in einer planaren Richtung. Das erste Verbindungsstück der ersten Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen ist mit einem Basisstück des MEMS-Aktors verbunden. Das zweite Verbindungsstück einer von zwei darauffolgenden Aktorzellen ist mit dem ersten Verbindungsstück der anderen der zwei darauffolgenden Aktorzellen verbunden. Somit haben beispielsweise Betätigungen eines oder mehrerer Aktorelemente einer oder mehrerer der Aktorzellen eine akkumulierte Bewegung einer Position und/oder einer Ausrichtung des zweiten Verbindungsstückes der letzten Aktorzelle relativ zu dem Basisstück zur Folge. Mehrere Aktorzellen in Reihe anzuordnen, ermöglicht es, für eine große zurückgelegte Strecke zu sorgen, während die Abmessungen des MEMS-Aktors klein gehalten werden und eine hohe mechanische Stabilität des MEMS-Aktors bereitgestellt wird.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist der MEMS-Aktor zumindest eine Aktoreinheit auf, die eine Reihe von Aktorzellen aufweist, die entlang einer Axialrichtung der Aktoreinheit angeordnet sind. Das erste Verbindungsstück der ersten Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen ist mit einem Basisstück des MEMS-Aktors verbunden. Das zweite Verbindungsstück einer von zwei darauffolgenden Aktorzellen ist mit einem ersten Verbindungsstück der anderen der zwei darauffolgenden Aktorzellen verbunden.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist eine erste Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen unabhängig von einer zweiten Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen ansprechbar. Beispielsweise kann eine erste Aktorzelle für eine lineare Bewegung entlang einer Axialrichtung der Aktoreinheit sorgen und eine zweite Aktorzelle kann für eine Rotationsbewegung oder eine Änderung einer Ausrichtung zwischen dem zweiten Verbindungsstück der letzten Aktorzelle und dem Basisstück sorgen. Eine unabhängige Ansprechbarkeit der individuellen Aktorzellen der Reihe von Aktorzellen ermöglicht es, eine Mehrzahl von unterschiedlichen Arten von Bewegungen mit der Aktoreinheit zu realisieren.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist die erste Aktorzelle der Aktoreinheit dazu konfiguriert, ansprechend auf eine vorbestimmte Betätigung eine Bewegung ihres zweiten Verbindungsstückes in Bezug auf ihr erstes Verbindungsstück entlang einer Verbindungslinie zwischen ihrem ersten und ihrem zweiten Verbindungsstück bereitzustellen. Eine zweite Aktorzelle der Aktoreinheit ist dazu konfiguriert, ansprechend auf eine vorbestimmte Betätigung eine Änderung der Ausrichtung zwischen ihrem zweiten Verbindungsstück und ihrem ersten Verbindungsstück bereitzustellen.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist der MEMS-Aktor eine drehbar gelagerte Struktur auf, die an einem Punkt, der von einem Rotationszentrum der drehbar gelagerten Struktur entfernt ist, mit dem zweiten Verbindungsstück der letzten Aktorzelle der zumindest einen Aktoreinheit verbunden ist. Somit kann ein Zusammenziehen oder eine Ausdehnung der Aktoreinheit entlang ihrer Axialrichtung in eine Rotation der drehbar gelagerten Struktur übersetzt werden.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist der MEMS-Aktor ferner eine Stufe auf, die dazu montiert ist, in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung einer Ebene des MEMS-Aktors beweglich zu sein. Der MEMS-Aktor weist zumindest erste und zweite Aktoreinheiten auf, die jeweils dazu konfiguriert sind, bei Betätigung einen Abstand zwischen dem ersten Verbindungsstück einer ersten Aktorzelle und dem zweiten Verbindungsstück einer letzten Aktorzelle entlang einer Axialrichtung der jeweiligen Aktoreinheit zu ändern. Die erste und die zweite Aktoreinheit sind so angeordnet, dass eine Betätigung der ersten Aktoreinheit eine Positionsänderung der Stufe entlang der ersten Richtung zur Folge hat und eine Betätigung der zweiten Aktoreinheit eine Positionsänderung der Stufe entlang der zweiten Richtung zur Folge hat. Die erste Richtung und die zweite Richtung unterscheiden sich voneinander. Beispielsweise ist die erste Richtung senkrecht zu der zweiten Richtung. Somit ist die Stufe in der Ebene des MEMS-Aktors in zwei unterschiedlichen Richtungen beweglich.
Gemäß Ausführungsbeispielen weist der MEMS-Aktor ferner ein Funktionselement auf, beispielsweise einen Sondenmikropositionierer, eine Spitze oder einen Mikrogreifer. Die zumindest eine Aktoreinheit ist Teil einer Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktoreinheiten, die ferner eine zweite Aktoreinheit aufweist. Das heißt, das Basisstück einer der Aktoreinheiten ist beispielsweise mit einem zweiten Verbindungsstück einer vorherigen Aktorzelle der einen Aktoreinheit verbunden. Die Reihenanordnung von Aktoreinheiten ist mit dem Funktionselement verbunden. Die Axialrichtung der ersten Aktoreinheit unterscheidet sich von der Axialrichtung der zweiten Aktoreinheit. Somit hat eine Betätigung des ersten Aktorelementes beispielsweise eine Änderung einer Position und/oder einer Ausrichtung des Funktionselementes in einer ersten Richtung zur Folge, und eine Betätigung des zweiten Aktorelementes hat eine Änderung einer Position und/oder einer Ausrichtung des Funktionselementes in einer zweiten Richtung zur Folge, die sich von der ersten Richtung unterscheidet. Somit kann das Funktionselement präzise positioniert werden, indem eine oder mehrere der Aktoreinheiten der Reihenanordnung von Aktoreinheiten betätigt werden.
Weitere Ausführungsbeispiele der Offenbarung sehen ein Verfahren zum Steuern des oben beschriebenen MEMS-Aktors vor. Das Verfahren weist ein Bereitstellen eines Steuersignals zu den Aktorelementen auf.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung ausführlich unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, bei denen:

1 ein Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
2 ein Beispiel einer Aktorzelle veranschaulicht,
3a ein Beispiel eines MEMS-Aktors in einem ersten Betätigungszustand veranschaulicht,
3b den MEMS-Aktor aus 3a in einem zweiten Betätigungszustand veranschaulicht,
4 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
5 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
6 ein Beispiel einer winkligen Bewegung einer Aktoreinheit veranschaulicht,
7 ein weiteres Beispiel einer Aktoreinheit veranschaulicht,
8 ein weiteres Beispiel einer Aktoreinheit veranschaulicht,
9 ein weiteres Beispiel einer Aktoreinheit veranschaulicht,
10 ein weiteres Beispiel einer Aktoreinheit veranschaulicht,
11 ein Beispiel von Aktorelementen und Reihenanordnungen derselben veranschaulicht,
12 weitere Beispiele von Reihenanordnungen von Aktorelementen veranschaulicht,
13 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
14 Beispiele elektrostatischer Aktorelemente veranschaulicht,
15 Beispiele elektrothermischer und piezoelektrischer Aktorelemente veranschaulicht,
16 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
17 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
18 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
19 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
20 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
21 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
22 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
23a ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
23b ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
24 ein Beispiel einer Parallelanordnung von Aktorelementen veranschaulicht,
25 ein weiteres Beispiel eines MEMS-Aktors veranschaulicht,
26 ein Beispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines MEMS-Aktors veranschaulicht.

Ausführliche Beschreibung illustrativer Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele ausführlich besprochen, jedoch ist zu beachten, dass die Ausführungsbeispiele zahlreiche anwendbare Konzepte bereitstellen, die bei einer großen Vielzahl von MEMS-Aktoren eingesetzt werden können. Die besprochenen spezifischen Ausführungsbeispiele sind lediglich illustrativ für spezifische Arten und Weisen, das vorliegende Konzept zu implementieren und zu verwenden, und schränken den Schutzumfang der Ausführungsbeispiele nicht ein. In der folgenden Beschreibung ist eine Mehrzahl von Details dargelegt, um eine umfassendere Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Offenbarung bereitzustellen. Jedoch ist es Fachleuten ersichtlich, dass andere Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details ausgeübt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Form eines Blockdiagramms anstatt in ausführlicher Weise gezeigt, um eine Verschleierung von hierin beschriebenen Beispielen zu vermeiden. Zusätzlich dazu können Merkmale der hierin beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, außer dies ist spezifisch anders angegeben.
In der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sind dieselben oder ähnliche Elemente oder Elemente mit derselben Funktionalität mit demselben Bezugszeichen versehen und werden mit demselben Namen bezeichnet, und eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit demselben Bezugszeichen versehen sind oder mit demselben Namen bezeichnet werden, wird für gewöhnlich ausgelassen. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit demselben oder ähnlichen Bezugszeichen oder mit demselben Namen bereitgestellt werden, in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar und können aufeinander angewendet werden.
1 veranschaulicht einen MEMS-Aktor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der MEMS-Aktor 100 weist eine Aktorzelle 110 auf. Die Aktorzelle 110 weist ein erstes Verbindungsstück 111 und ein zweites Verbindungsstück 112 auf. Das erste Verbindungsstück 111 und das zweite Verbindungsstück 112 sind über eine Verbindereinheit 121 mechanisch verbunden. Die Verbindereinheit 121 weist einen ersten Balken 131 und einen zweiten Balken 132 auf. Der erste Balken 131 weist eine Reihenanordnung 141 einer Mehrzahl von Aktorelementen 140 auf. Die Aktorelemente 140 sind dazu konfiguriert, bei Betätigung eine Biegung des ersten Balkens 131 zu ändern.
Das heißt, jedes der Aktorelemente 140 ist beispielsweise dazu konfiguriert, bei Betätigung des jeweiligen Aktorelementes die Biegung des ersten Balkens 131 an einer Position zu ändern, an der sich das jeweilige Aktorelement in dem ersten Balken 131 befindet. Somit kann eine Gesamtbiegung des ersten Balkens 131 aus Biegebeiträgen der einzelnen Aktorelemente 140 des ersten Balkens 131 resultieren. Folglich kann die Biegung des ersten Balkens 131 gleichförmig sein oder kann sich entlang der Reihenanordnung der Aktorelemente 140 gemäß einer Verteilung der Aktorelemente 140 entlang der Reihenanordnung 141 und/oder individueller Biegezustände der Aktorelemente 140 variieren. Ferner kann eine Richtung der Änderung der Biegung der einzelnen Aktorelemente 140 gleichförmig sein oder kann individuell für die Aktorelemente 140 sein, oder kann für eine oder mehrere Gruppen von Aktorelementen der Mehrzahl von Aktorelementen 140 spezifisch sein.
Beispielsweise können das erste Verbindungsstück 111, das zweite Verbindungsstück 112 und die Verbindereinheit 121 in einer Ebene angeordnet sein, die zu Beschreibungszwecken als x-y-Ebene bezeichnet ist, wie in 1 angegeben ist. Eine Betätigung eines der Aktorelemente 140 kann eine Änderung der Biegung des Balkens 132 in der x-y-Ebene zur Folge haben. Mit anderen Worten kann sich eine Krümmung des ersten Balkens 132 an der Position des einen Aktorelementes in der x-y-Ebene bei Betätigung des einen Aktorelementes ändern. Darauffolgende Aktorelemente der Reihenanordnung von Aktorelementen 140 können benachbart zueinander angeordnet sein oder können voneinander beabstandet sein. Beispielsweise können Abstandselemente, die zum Beispiel in Bezug auf 11 beschrieben werden, zwischen einzelnen Aktorelementen der Mehrzahl von Aktorelementen 140 angeordnet sein.
Beispielsweise sind der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 so angeordnet, dass eine Betätigung der Aktorelemente eine Kraft zwischen dem zweiten Ende 135 des ersten Balkens 131 und dem zweiten Ende 136 des zweiten Balkens zur Folge hat. Da das zweite Ende 135 mit dem ersten Verbindungsstück 111 verbunden ist und das zweite Ende 136 mit dem zweiten Verbindungsstück 112 verbunden ist, kann bei Beispielen die Kraft eine Verkleinerung oder eine Vergrößerung eines Abstandes zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück zur Folge haben, das heißt ein Zusammenziehen bzw. eine Ausdehnung der Aktorzelle 110. Bei anderen Beispielen, beispielsweise wenn die mechanische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück eine weitere Verbindung aufweist, zum Beispiel eine zweite Verbindereinheit, kann die Kraft beispielsweise eine Rotation zur Folge haben, das heißt eine Änderung einer Ausrichtung zwischen dem ersten und zweiten Verbindungsstück 111, 112 (siehe 2).
Somit sind bei Beispielen der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 so angeordnet, dass eine Betätigung der Aktorelemente eine Änderung eines Abstandes zwischen den jeweiligen zweiten Enden des ersten Balkens 131 und des zweiten Balkens 132 zur Folge hat.
In 1 sind das erste Verbindungsstück 111 und das zweite Verbindungsstück 112 beispielsweise entlang der x-Richtung angeordnet. Der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 sind zumindest für einen vorbestimmten Betätigungszustand im Wesentlichen entlang der y-Richtung senkrecht zu der x-Richtung angeordnet, obwohl sich die Richtungen des ersten Balkens 131 und des zweiten Balkens 132 bei Betätigung ändern können. Da der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 zumindest teilweise für eine Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 sorgen, und der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 im Wesentlichen entlang der y-Richtung angeordnet sein können, sorgen der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 für eine Mäanderform. Mit anderen Worten können der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 hauptsächlich außerhalb einer Verbindungslinie zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 angeordnet sein.
Beispielsweise ist ein erstes Ende 133 des ersten Balkens 131 mit einem ersten Ende 134 des zweiten Balkens 132 verbunden. Ferner kann ein zweites Ende 135 des ersten Balkens 131 mit einem ersten Verbindungsstück 111 verbunden sein. Ein zweites Ende 136 des zweiten Balkens 132 kann mit dem zweiten Verbindungsstück 112 verbunden sein. Die ersten Enden 133, 134 des ersten und des zweiten Balkens 131, 132 sind außerhalb einer Verbindungslinie zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 positioniert, so dass der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 für eine Mäanderform sorgen. Die ersten Enden 133 und 134 können direkt verbunden sein, oder können über einen Verbinder verbunden sein.
Der zweite Balken 132 kann optional eine Reihenanordnung 142 einer Mehrzahl von Aktorelementen 140 aufweisen. Die zweite Reihenanordnung 142 ist dazu konfiguriert, eine Biegung des zweiten Balkens 132 bei Betätigung zu ändern. Die Reihenanordnung 142 kann Eigenschaften aufweisen, wie diese in Bezug auf die Aktorelemente 140 beschrieben sind. Bei Beispielen ist der zweite Balken 132 dazu konfiguriert, symmetrisch zu dem ersten Balken 131 in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der x-Richtung zu sein. Beispielsweise können Aktorelemente des zweiten Balkens 132 dazu konfiguriert sein, für eine entgegengesetzte Änderung der Biegung des zweiten Balkens 132 im Vergleich zu jeweils gegenüberliegend angeordneten Aktorelementen 140 des ersten Balkens 131 zu sorgen.
2 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Aktorzelle 110, gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Aktorzelle 110 ferner eine zweite Verbindereinheit 222 auf. Die zweite Verbindereinheit 222 stellt, wie die erste Verbindereinheit 121, eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 her.
Bei Beispielen ist die zweite Verbindereinheit 222 inaktiv. Beispielsweise kann die zweite Verbindereinheit 222 eine Feder sein. Bei anderen Beispielen ist die zweite Verbindereinheit 222 ähnlich wie die erste Verbindereinheit 121 implementiert. Beispielsweise ist die zweite Verbindereinheit 222 in der x-y-Ebene angeordnet. Die zweite Verbindereinheit 222 kann einen ersten Balken 231 und einen zweiten Balken 232 aufweisen. Der erste und der zweite Balken 231, 232 können für eine Mäanderform sorgen. Der erste Balken 231 und der zweite Balken 232 können jeweilige Reihenanordnungen von Mehrzahlen von Aktorelementen aufweisen, wie in Bezug auf die erste Verbindereinheit 121 beschrieben ist. Bei einigen Beispielen kann die zweite Verbindereinheit 222 konfiguriert sein, um symmetrisch zu der ersten Verbindereinheit 121 in Bezug auf die Verbindungslinie zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 zu sein. Es ist zu beachten, dass sich die folgende Beschreibung zur Einfachheit auf den ersten Balken 131 der ersten Verbindereinheit 121 konzentriert, wie in Bezug auf 1 und 2 beschrieben ist. Jedoch kann die Beschreibung des ersten Balkens 131 optional auch auf den zweiten Balken 132 sowie den ersten und den zweiten Balken 231, 232 der zweiten Verbindereinheit 222 angewendet werden, wobei Richtungen und Biegerichtungen gemäß diesen Symmetrien optional angepasst werden können.
Unter Fortsetzung der Beschreibung von 1 kann eine Änderung der Biegung des ersten Balkens 131 eine Änderung einer relativen Position zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 zur Folge haben kann. Die Änderung der relativen Position kann eine lineare Bewegung sein, beispielsweise entlang der x-Richtung, welche als geradlinige Bewegung bezeichnet werden kann. Im Einzelnen kann dann, wenn der zweite Balken 132 symmetrisch zu dem ersten Balken 131 in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der x-Achse ist, z. B. eine Ebene durch eine Verbindung zwischen dem ersten Balken 131 und dem zweiten Balken 132 an den ersten Enden 133, 134, und der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 symmetrisch in Bezug auf diese Ebene betätigt werden, eine relative Bewegung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 linear entlang der x-Achse sein.
Wenn beispielsweise der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 asymmetrisch betätigt werden, oder wenn der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 asymmetrisch zueinander sind, kann sich eine relative Ausrichtung zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück 111, 112 ändern.
In Bezug auf 2 kann eine Änderung einer relativen Ausrichtung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 dadurch erzielt werden, dass die erste Verbindereinheit 121 asymmetrisch in Bezug auf die zweite Verbindereinheit 222 betätigt wird.
Eine relative Bewegung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 entlang der x-Achse kann als axiale Bewegung bezeichnet werden, während andere Bewegungen als außeraxiale Bewegungen bezeichnet werden können. Beispielsweise kann eine Änderung der relativen Ausrichtung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 als planare Rotation bezeichnet werden, vorausgesetzt, dass die Bewegungen des ersten Verbindungsstückes 111 und des zweiten Verbindungsstückes 111 in der x-y-Ebene liegen.
Beispielsweise können Aktorelemente 140 der zweiten Verbindereinheit 222 unabhängig von den Aktorelementen der ersten Verbindereinheit 121 ansprechbar sein. Somit können eine axiale Bewegung, außeraxiale Bewegung und/oder planare Rotation durch unterschiedliche Betätigungszustände der ersten Verbindereinheit 121 und der zweiten Verbindereinheit 222 realisiert werden.
Somit sind die Reihenanordnung 141 von Aktorelementen der ersten Verbindereinheit und eine Reihenanordnung von Aktorelementen der zweiten Verbindereinheit dazu konfiguriert, eine Bewegung des ersten Verbindungsstückes 111 und/oder des zweiten Verbindungsstückes 112 bereitzustellen. Die Bewegung kann eine axiale Bewegung des zweiten Verbindungsstückes in Bezug auf das erste Verbindungsstück entlang einer Axialrichtung, z. B. die x-Richtung, entlang der das erste und das zweite Verbindungsstück zumindest für einen vorbestimmten Betätigungszustand der ersten und der zweiten Verbindereinheit angeordnet sind, eine außeraxiale Bewegung des ersten und/oder des zweiten Verbindungsstückes in einer Richtung, die sich von der axialen Richtung unterscheidet, und/oder eine planare Rotation des ersten und/oder des zweiten Verbindungsstückes in Bezug auf ein MEMS-Substrat aufweisen.
Unter Fortsetzung der Beschreibung von 1 kann der MEMS-Aktor optional ein Substrat aufweisen oder auf demselben implementiert werden, welches auch als MEMS-Substrat bezeichnet wird.
Beispielsweise kann das erste Verbindungsstück 111 an dem MEMS-Substrat befestigt sein, während das zweite Verbindungsstück 112 mit einer Struktur verbunden ist, die in Bezug auf das MEMS-Substrat beweglich ist. Beispielsweise können der erste und der zweite Balken 131, 132 und insbesondere die ersten Enden 133, 134 des ersten Balkens 131 und des zweiten Balkens 132 in Bezug auf das MEMS-Substrat beweglich sein. Beispielsweise können die ersten Enden 133, 134 in zumindest einer Richtung beweglich sein, beispielsweise in der x-Richtung, so dass eine lineare relative Bewegung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 und dem zweiten Verbindungsstück 112 realisiert werden kann.
Beispielsweise sind das erste und das zweite Verbindungsstück 111, 112 und der erste und der zweite Balken 131, 132 planar in Bezug auf das MEMS-Substrat angeordnet, und die ersten Enden 133, 134 des ersten und des zweiten Balkens sind zumindest in einer planaren Richtung beweglich, z. B. in einer Richtung parallel zu der Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück 111, 112. Beispielsweise hat eine Betätigung der Aktorelemente des ersten Balkens 131 eine Änderung einer planaren Biegung des ersten Balkens 131 zur Folge.
Eine Änderung der Betätigung der Aktorelemente des ersten Balkens 131 und optional des zweiten Balkens 132, so dass ein Abstand zwischen dem zweiten Ende 135 des ersten Balkens 131 und dem zweiten Ende 136 des zweiten Balkens 132 zunimmt, kann als eine Ausdehnung der ersten Verbindereinheit 121 bezeichnet werden. Demgemäß kann eine Änderung der Betätigung der Aktorelemente des ersten Balkens 131 und optional des zweiten Balkens 132, so dass der Abstand zwischen den zweiten Enden 135, 136 abnimmt, als ein Zusammenziehen bezeichnet werden.
3a veranschaulicht einen MEMS-Aktor 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielsweise entspricht der MEMS-Aktor 300 dem MEMS-Aktor 100. Der MEMS-Aktor 300 weist eine Aktoreinheit 302 auf, die eine Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktorzellen 110a, 11 0b, 110c umfasst. Jede der Aktorzellen 110a-c kann beispielsweise der Aktorzelle 110 entsprechen, die in Bezug auf 1 beschrieben ist. Das erste Verbindungsstück 111a der ersten Aktorzelle 110a ist mit einem Basisstück 309 verbunden. Das zweite Verbindungsstück 112a der ersten Aktorzelle 110 ist mit einem ersten Verbindungsstück 111b der zweiten Aktorzelle 110b verbunden. Das zweite Verbindungsstück 112b der zweiten Aktorzelle 110b ist mit dem ersten Verbindungsstück 111c der Aktorzelle 110c verbunden. Mit anderen Worten sind die Aktorzellen 110a-c in Reihe angeordnet. Das heißt, eine relative Bewegung des zweiten Verbindungsstückes 112c der letzten Aktorzelle 110c der Reihenanordnung von Aktorzellen relativ zu dem ersten Verbindungsstück 111a der ersten Aktorzelle 110a der Reihenanordnung von Aktorzellen resultiert aus akkumulierten Bewegungen der individuellen Aktorzellen 110a bis 110c. Das zweite Verbindungsstück 112c einer letzten Aktorzelle der Aktoreinheit 302 kann als zweites Verbindungsstück der Aktoreinheit bezeichnet werden. Die Anzahl von drei Aktorzellen ist exemplarisch. Andere Reihenanordnungen von Aktorzellen können eine größere oder eine kleinere Anzahl von Aktorzellen aufweisen. Die folgende Beschreibung der Aktorzelle 110c ist als exemplarisch für die Aktorzellen 110a-c anzusehen. Ferner können im Folgenden in Bezug auf die Aktorzelle 110a beschriebene Merkmale auch in der Aktorzelle 110 aus 1 und 2 implementiert werden.
Der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 der ersten Verbindereinheit 121 der Aktorzelle 110c weisen einen ersten Bereich 351 von Aktorelementen und einen zweiten Bereich 352 von Aktorelementen auf. Der erste Bereich 351 ist dazu konfiguriert, eine Biegung des ersten Bereiches 351 des ersten Balkens 131 in einer ersten Biegerichtung zu ändern. Der zweite Bereich 352 ist dazu konfiguriert, bei Betätigung eine Biegung des zweiten Bereiches 352 des ersten Balkens 131 in einer zweiten Richtung zu ändern. Die erste Richtung ist entgegengesetzt zu der zweiten Richtung.
Beispielsweise ist die erste Richtung eine negative Biegerichtung und die zweite Richtung ist eine positive Biegerichtung. Mit anderen Worten kann der erste Bereich 351 für eine negative Biegung konfiguriert sein, und der zweite Bereich 352 kann für eine positive Biegung konfiguriert sein.
Der zweite Balken 132 der ersten Verbindereinheit 121 kann einen ersten Bereich 353 und einen zweiten Bereich 354 von Aktorelementen aufweisen. Der erste Bereich 353 des zweiten Balkens 132 ist gegenüberliegend zu dem ersten Bereich 351 des ersten Balkens 131 angeordnet. Der zweite Bereich 354 des zweiten Balkens 132 ist gegenüberliegend zu dem zweiten Bereich 352 des ersten Balkens 131 angeordnet. Der erste Bereich 353 ist dazu konfiguriert, seine Biegung in die zweite Biegerichtung zu ändern. Der zweite Bereich 354 ist dazu konfiguriert, bei Betätigung seine Biegung in die erste Biegerichtung zu ändern.
Beispielsweise weisen der erste Bereich 351 des ersten Balkens 131 und der zweite Bereich 354 des zweiten Balkens 132 Aktorelemente 343 auf. Die Aktorelemente 343 sind dazu konfiguriert, die Biegung der jeweiligen Balken in die erste Biegerichtung zu ändern. Der zweite Bereich 352 des ersten Balkens 131 und der erste Bereich 353 des zweiten Balkens 132 weisen Aktorelemente 344 auf, die dazu konfiguriert sind, eine Biegung der jeweiligen Balken in die zweite Biegerichtung zu ändern.
Beispielsweise kann ein Betätigungszustand des MEMS-Aktors 300, wie in 3a gezeigt ist, ein unbetätigter Zustand sein. 3b veranschaulicht den MEMS-Aktor 300 aus 3a in einem Betätigungszustand, der sich von dem in 3a gezeigten Betätigungszustand unterscheidet. Beispielsweise kann der Betätigungszustand des MEMS-Aktors 300, der in 3b gezeigt ist, ein betätigter Betätigungszustand sein.
Beispielsweise können die Aktorelemente 343, 344 die Biegung bei Betätigung erhöhen. Somit können sich die Aktorzellen 110 bei Betätigung entlang der x-Richtung ausdehnen, die beispielsweise als Richtung senkrecht zu der Anordnung der Aktoren betrachtet werden kann. Auf der Basis der Ausdehnung der Aktorzellen 110 kann eine Translation des letzten Verbindungsstückes 112 der letzten Aktorzelle 110c entlang der x-Richtung erzielt werden.
Die in 3a und 3b gezeigten Aktorzellen 110a-c können optional Randverbinder 360 zum Bereitstellen der Reihenanordnung des ersten und des zweiten Balkens jeder der Verbindereinheiten 121, 222 aufweisen. Aufgrund der Anordnung der Aktorelemente 343, 344 in Bereichen mit entgegengesetzten Biegerichtungen, die sich beispielsweise in entgegengesetzter und komplementärer Weise verformen und ausdehnen, kann die Ausdehnung der Aktorzellen 110a-c ohne Klemmung oder ohne mechanische Belastung sein, beispielsweise an den Randverbindern 360 und/oder dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück 111a-c, 112a-c. Eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111 einer Aktorzelle und dem zweiten Verbindungsstück 112 einer darauffolgenden Aktorzelle kann als ein Zentralverbinder der Aktoreinheit 302 bezeichnet werden.
Mit anderen Worten weisen der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 beispielsweise komplementäre Bereiche positiver und negativer Biegebalken auf, die Ende an Ende mit einem Randverbinder 360 angebracht sind. Aktorzellen können auch als Einheiten bezeichnet werden. Aktorelemente können auch als Biegeelemente bezeichnet werden.
Um eine Belastung an den Verbindungspunkten zwischen den ersten Bereichen 351, 353 und den zweiten Bereichen 352, 354 des ersten und des zweiten Balkens 131, 132 und an den Randverbindern 360 sowie an dem ersten und zweiten Verbindungsstück 111, 112 zu vermeiden, können die ersten Bereiche 351, 353 und die zweiten Bereiche 352 und 354 gemäß dem folgenden Schema konfiguriert sein: Die folgenden Betrachtungen basieren auf Werten für die Krümmung und die Länge der ersten und der zweiten Bereiche des ersten Balkens und des zweiten Balkens der ersten Verbindereinheit und der zweiten Verbindereinheit. Die Krümmung ist mit Cx bezeichnet, wobei die Länge des Bereiches mit Lx bezeichnet ist, wobei x den Index des Bereiches bezeichnet, wie exemplarisch für die Aktorzelle 110c in 3b angegeben ist.
Für eine S-Biegung ohne eine Diskontinuität und Steigung an der S-Zusammenfügung für einen Krümmungsübergang zwischen positiven und negativen Biegebereichen können der erste und der zweite Balken der ersten Verbindereinheit und der zweiten Verbindereinheit beispielsweise zumindest ungefähr die folgenden Gleichungen erfüllen: $\begin{array}{l} C 1 * L 1 = - C 2 * L 2; C 5 * L 5 = - C 6 * L 6 \\ C 3 * L 3 = - C 4 * L 4; C 7 * L 7 = - C 8 * L 8 \end{array}$
Bei einigen Ausführungsbeispielen können die folgenden Gleichungen zum Bereitstellen einer geradlinigen Bewegung angewendet werden: $\begin{array}{l} (C 1 * L 1) + (- C 2 * L 2) = (C 5 * L 5) + (- C 6 * L 6) \\ (C 3 * L 3) + (- C 4 * L 4) = (C 7 * L 7) + (- C 8 * L 8) \end{array}$
Bei einigen Ausführungsbeispielen können die folgenden Gleichungen gelten: $\begin{matrix} C 1 - - C 2 = C 3 = - C 4 = C 5 = - C 6 = C 7 = - C 8 \\ L 1 = L 2 = L 3 = L 4 = L 5 = L 6 = L 7 = L 8 \end{matrix}$
Beispielsweise können die Werte von Cx (Krümmung des Bereiches x) und Lx (Länge des Bereiches x) je nach Anforderung geändert werden, bis sie eine oder mehrere der obigen Sätze von Gleichungen erfüllen (dies ist jedoch nicht notwendigerweise immer der Fall). Die Veränderung im Hinblick auf Cx und Lx kann optional dazu verwendet werden, das Volumen, das durch die sich ausdehnenden Einheitskonfigurationen abgedeckt wird, zu modulieren (siehe 4). Dies ist besonders hilfreich beim Gestalten von Mikropumpen- oder Mikrolautsprechersystemen, bei denen das verschobene Fluidvolumen entscheidend ist.
Beispielsweise kann durch das Verändern der Werte von Cx und Lx ein von der sich ausdehnenden Aktorzelle abgedecktes Volumen eingestellt werden, um den MEMS-Aktor auf eine spezifische Anwendung einzustellen. Dies kann beispielsweise hilfreich beim Entwerfen von Mikropumpen- oder Mikrolautsprechersystemen sein, bei denen ein verschobenes Fluidvolumen entscheidend ist.
4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des MEMS-Aktors 300. Das linke Feld veranschaulicht den MEMS-Aktor 300 in einem ersten Betätigungszustand, der beispielsweise einem unbetätigten Zustand entsprechen kann. Das rechte Feld in 4 veranschaulicht ein Beispiel des MEMS-Aktors 300 in einem zweiten Betätigungszustand, beispielsweise einem betätigten Betätigungszustand. Im Vergleich zu dem Beispiel des in 3a und 3b gezeigten MEMS-Aktors 300 ist in 4 eine relative Länge des ersten Bereiches 351, 353 des ersten und des zweiten Balkens 131, 132 in Bezug auf die zweiten Bereiche 352, 354 des ersten und des zweiten Balkens 131, 132 verkleinert. Wie auf dem rechten Feld in 4 veranschaulicht ist, kann die reduzierte Länge der ersten Bereiche 351, 353 in Bezug auf die zweiten Bereiche 352, 354 eine vergrößerte Verschiebung bei Betätigung zur Folge haben. Folglich ist die Differenz im Hinblick auf das Volumen, das durch die Reihenanordnung von Aktorzellen erforderlich ist, in dem ersten Betätigungszustand und dem zweiten Betätigungszustand größer als im Vergleich zu den in 3a und 3b gezeigten Konfigurationen.
Beispielsweise kann eine Verschiebung oder Änderung eines Abstandes zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück einer einzelnen Aktorzelle 110 direkt proportional zu dem Quadrat der Länge des ersten Balkens 131 und des zweiten Balkens 132 sein, oder kann proportional zu der Krümmung des ersten und des zweiten Balkens in dem ausgedehnten Zustand sein. Somit kann durch das Verbinden mehrerer Aktorzellen in Reihe eine erzielbare Gesamtverschiebung oder Gesamtausdehnung vergrößert werden. Bei einer Reihenverbindung von Aktoreinheiten akkumulieren sich die Verschiebung oder Ausdehnung jeder der Aktorzellen 110, während eine bereitstellbare Kraft der Aktorzellen gleichbleibt. Folglich kann ein gewünschter maximaler Zielverschiebungswert beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kombination von Länge und Krümmung des ersten und des zweiten Balkens und die Anzahl von in Reihe verwendeten Aktorzellen 110 konfiguriert werden. Da es die Aktorzellen 110 ermöglichen, die Länge und die Krümmung der einzelnen Bereiche des ersten und des zweiten Balkens auf der Basis einer geeigneten Wahl der Anordnung der Aktorelemente zu konfigurieren, ermöglichen es die MEMS-Aktoren 110, 300, eine von dem MEMS-Aktor benötigte Grundfläche zu minimieren, während die maximale anvisierte Verschiebung auf effiziente Weise erzielt wird. Beispielsweise können typische Werte für eine maximale Verschiebung oder Ausdehnung einer eine Reihenanordnung von Aktorzellen aufweisenden Aktoreinheit bis zu 10 mm betragen. Jedoch können auch höhere Werte erreicht werden. Beispielsweise beträgt eine typische maximale Verschiebung oder Ausdehnung einer einzelnen Aktorzelle bis zu 1 mm.
Mit anderen Worten weist bei Beispielen die Reihenanordnung 141 eine S-Verbindung mit unterschiedlichen Längen- und Krümmungskonfigurationen (C1*L1 = C2*L2) auf. Dies ermöglicht es, das Volumen zu optimieren, das durch sich ausdehnende oder sich zusammenziehende Konfigurationen verschoben wird, was für eine Pumpen- oder Schallerzeugung nützlich sein kann.
5 veranschaulicht einen MEMS-Aktor 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der MEMS-Aktor 500 ist eine alternative Implementierung des MEMS-Aktors 300. Bei dem MEMS-Aktor 500 weist der erste Bereich 351 und der zweite Bereich 345 des ersten Balkens 131 und des zweiten Balkens 132 Aktorelemente 543 auf, z. B. anstelle der Aktorelemente 343 des MEMS-Aktors 300. Gleichermaßen weist der zweite Bereich 352 und der erste Bereich 353 des ersten Balkens 131 und des zweiten Balkens 132 Aktorelemente 544 auf, zum Beispiel anstelle der Aktorelemente 344. Die Aktorelemente 543, 544 sind dazu konfiguriert, bei Betätigung die Biegung des jeweiligen Balkens zu verringern. Folglich veranschaulicht das linke Feld in 5 beispielsweise einen unbetätigten Zustand des MEMS-Aktors 500, während das rechte Feld in 5 einen betätigten Zustand des MEMS-Aktors 500 veranschaulicht. Mit anderen Worten kann der MEMS-Aktor 500 eine sich zusammenziehende Konfiguration aufweisen. Somit zieht sich der MEMS-Aktor 500 bei Betätigung zusammen, so dass ein Abstand zwischen dem ersten Verbindungsstück 111a und dem zweiten Verbindungsstück 112c bei Aktivierung abnimmt.
Mit anderen Worten kann der MEMS-Aktor 500 im Gegensatz zu exemplarischen Konfigurationen des MEMS-Aktors 300 stehen, die dazu konfiguriert sind, sich bei Betätigung auszudehnen. Somit kann das in Bezug auf 3a, 3b und 4 für den MEMS-Aktor 300 beschriebene Konzept optional beispielsweise auf umgekehrte Weise auf den MEMS-Aktor 500 angewendet werden.
Mit anderen Worten können die Beispiele der in 3a, b, 5 gezeigten Aktoreinheit 302 zur Ausdehnung und zum Zusammenziehen konfiguriert sein, und können Biegeelementzellen in einer S-Konfiguration mit Stapelung in Einheiten aufweisen, die im Hinblick auf Verschiebung, Kraft, Chipfläche, Bewegungsfrequenz optimiert sein können. Bei Beispielen kann eine Betätigung der Bereiche und/oder Balken individuell gesteuert werden (für lineare, rotatorische und/oder Bewegungen zur Routennachverfolgung).
Außerdem können einige Ausführungsbeispiele sowohl sich zusammenziehende als auch sich ausdehnende Konfigurationen umfassen. Beispielsweise können Verbindungen zwischen sich zusammenziehenden und sich ausdehnenden Konfigurationen implementiert werden durch direkte mechanische Verbindungen, Federsystem-basierte mechanische Verbindungen (für weiche verformbare Verbindungen bei Ziehhandlungen) oder die Verwendung von Greifhaken-ähnlichen Strukturen, um ein bei ein beim Zusammenziehen mögliches Ziehen zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Aktoreinheit, die sich bei Betätigung zusammenzieht, etwa die in 5 gezeigte Aktorzelle, als eine vorgewinkelte (PA-, pre-angled) Einheit bezeichnet werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Aktorzelle in einer sich zusammenziehenden Konfiguration dazu konfiguriert sein, den ersten und den zweiten Balken weiter zu einer Position zu biegen, bei der der erste und der zweite Balken senkrecht zu der x-Achse sind. Das heißt, ein Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück 111, 112 kann beispielsweise sogar kürzer sein, wie in dem rechten Feld in 5 in einem betätigten Zustand des MEMS-Aktors 500 gezeigt ist. Für solch eine Konfiguration kann es vorteilhaft sein, wenn die Randverbinder 360 eine besonders große Abmessung in der x-Richtung aufweisen, so dass mehr Raum zum Zusammenziehen bereitgestellt ist. Solch eine Konfiguration kann insbesondere nützlich sein für Anwendungen, die eine Verschiebung von einem großen Fluidvolumen um eine mittlere gerade Stellung erfordern (z. B. Mikropumpen, Mikrolautsprecher, usw.), insbesondere bei Kombination mit einem in 4 gezeigten Konzept auf umgekehrte Weise für sich zusammenziehende Konfigurationen. Sich zusammenziehende Konfigurationen können außerdem sehr geeignet sein für Anwendungen, die eine größere Chipflächenausfüllung in einer betätigten Position aufweisen (z. B. im Vergleich zu den sich ausdehnenden Konfigurationen), während der erforderliche große Bewegungsfreiraum sichergestellt wird. Sich zusammenziehende Konfigurationen können außerdem nützlich sein für Herstellungsprozesse (z. B. reaktives Bosch-Ionentiefenätzen), die empfindlich gegenüber großen offenen Flächen oder Chips mit einem niedrigen Füllfaktor während der Herstellung sind, d. h. in einer betätigten Position.
Mit anderen Worten kann 5 ein Beispiel einer Konfiguration von Biegeaktoren in dem Beispielfall einer sich zusammenziehenden Konfiguration veranschaulichen, um eine Translation in der Richtung senkrecht zu der Position des Zentralverbinders zu erreichen. Dies kann im Gegensatz stehen zu dem Konzept der sich ausdehnenden Konfiguration (in 3a, 3b gezeigter Beispielfall). Die Biegebalken 131, 132 (z. B. NED-Balken), die durch eine Reihe von Basisbiegeelementzellen gebildet sind (z. B. NED-Biegezellen, piezoelektrische Biegezellen, thermische Biegezellen, usw.), können in Bereichen 351, 352, 353, 354 angeordnet sein, um sich in der entgegengesetzten und komplementären Weise zu verformen und zusammenzuziehen, um bei Betätigung eine klemmfreie Bewegung in der Bewegungsrichtung bereitzustellen (siehe rechtes Feld in 13). Die Betätigungszellen 110a-c können komplementäre Bereiche, die Ende an Ende mit den Randverbindern angebracht sind, von positiven und negativen vorgewinkelten Biegebalken aufweisen, wie in Bezug auf 11 beschrieben ist, und werden als „vorgewinkelte (PA-, pre-angled) Einheit“ bezeichnet (wie in der linken Seite aus 13 gezeigt ist). Für einen vorgewinkelten Biege-S-Balken (um eine geradlinige sich zusammenziehende Bewegung zu haben) ohne Diskontinuität in einem Krümmungsübergang von positiven zu negativen Biegebereichen (um Belastungserzeugung an dem Übergangspunkt und Aufwendung überschüssiger Energie zu vermeiden) können die Gleichungssätze (1), (2) in einem Beispielfall resultieren.
Wie in 3a, 3b und 5 gezeigt ist und im Folgenden durch 3b beschrieben ist, kann der erste Balken 131 und/oder der zweite Balken 132 eine Parallelanordnung einer Mehrzahl von Reihenanordnungen 141 von Aktorelementen aufweisen. Beispielsweise weisen in 3b der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 jeweils eine Anzahl von drei Reihenanordnungen 141 von Aktorelementen auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können die parallel angeordneten Reihenanordnungen 141 des ersten Balkens 131 miteinander an dem ersten Ende 133 des ersten Balkens 131 und/oder an dem zweiten Ende 135 verbunden sein. Optional kann der Balken außerdem weitere Verbindungen zwischen der parallelen Anordnung 141 von Aktorelementen zwischen dem ersten Ende 133 und dem zweiten Ende 135 aufweisen. Beispielsweise kann eine parallele Anordnung einer Mehrzahl von Reihenelementen 141 von Aktorelementen besonders vorteilhaft in der S-Konfiguration sein, die in 3a bis 5 gezeigt ist, da bei solch einer S-Konfiguration eine Länge eines Pfades entlang jeder der Reihenanordnungen 141 zwischen dem ersten Ende 133 und dem zweiten Ende 135 während einer Bewegung des Balkens konstant bleiben kann. Somit kann eine mechanische Belastung an dem ersten Ende und dem zweiten Ende vermieden werden.
Beispielsweise kann eine bereitstellbare Gesamtkraft der Aktorzelle 110 proportional zu einem in den Aktorelementen 140 erzeugten Moment sein und kann weiterhin proportional zu der Anzahl von parallel angeordneten Reihenanordnungen von Aktorelementen in einem Balken oder einem Balkenbereich sein. Somit ermöglicht eine parallele Anordnung von Reihenanordnungen von Aktorelementen in einem Aktorzellenbereich oder Balken eine höhere bereitstellbare Kraft, was durch die Aktorzelle 110 erreichbar ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen weisen die Aktorelemente des ersten Balkens 131 ein erstes Aktorelement und ein zweites Aktorelement auf, das unabhängig von dem ersten Aktorelement ansprechbar ist. Alternativ oder zusätzlich dazu sind die Aktorelemente 140 der ersten Verbindereinheit 121 unabhängig von den Aktorelementen der zweiten Verbindereinheit 222 ansprechbar. Alternativ oder zusätzlich dazu ist eine erste Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen unabhängig von einer zweiten Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen ansprechbar.
Bei Ausführungsbeispielen ist eine elektrische Verbindung zu den Aktorelementen 140 der Aktorzellen 110 der Aktoreinheit 302 über das erste und das zweite Verbindungsstück 111, 112, über den ersten und den zweiten Balken 131, 132 und über eine Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Balken, beispielsweise den Randverbinder 360, bereitgestellt. Beispielsweise können die Aktorelemente 140 der ersten Verbindereinheiten 121 der Aktorzellen 110 der Aktoreinheit 302 in Reihe geschaltet sein, so dass die ersten Verbindereinheiten 121 simultan betätigt werden. Gleichermaßen können die Aktorelemente 140 der zweiten Verbindereinheiten 222 der Aktoreinheit 302 elektrisch in Reihe geschaltet sein, so dass die zweiten Verbindereinheiten 222 simultan betätigt werden. Bei anderen Beispielen sind alle Aktorelemente 140 der Aktoreinheit 302 mit demselben Steuersignaleingang verbunden, so dass alle Aktorelemente 140 der Aktoreinheit 302 simultan betätigt werden.
Bei weiteren Beispielen ist jede der Aktorzellen 110a-c einzeln elektrisch verbunden. Optional ist innerhalb jeder der Aktorzellen 110a-c die erste Verbindereinheit 121 und die zweite Verbindereinheit 222 individuell elektrisch verbunden. Optional sind ein oder mehrere der Bereiche der Balken der Aktorzellen 110a-c individuell elektrisch verbunden. Optional sind individuelle Aktorelemente individuell elektrisch verbunden.
Mit anderen Worten können die elektrischen Verbindungen mit den Reihenanordnungen 141 der Aktorelemente, das heißt den Biegebalken, die in Reihe und/oder parallel angeordnet sind, innerhalb einer Aktorzelle 110 über die zentralen Randverbinder bereitgestellt werden, wie beispielsweise in 3a, 3b, 4, 5 gezeigt ist. In einer Reihe von Aktorzellen 110 können jeder der Aktorzellen 110 individuell mit elektrischen Verbindungen versehen werden, beispielsweise durch die Verwendung dedizierter elektrischer Verbindungen, die über die zentralen und Randverbinder verlaufen. Obwohl diese zentralen Verbindungen in einigen Beispielen eine größere Chipfläche erfordern können, kann eine elektrische Verbindung über die zentralen Verbinder eine höhere elektrische Zuverlässigkeit bereitstellen. Alternativ können bestimmte Bereiche, oder alle Bereiche, der Aktorzellen 110 elektrisch in Reihe geschaltet sein, was für eine besonders niedrige erforderliche Chipbarriere sorgen kann. Bei einigen Beispielen können die rechte und die linke Hälfte der Aktorzellen, also die in Reihe geschaltete erste Verbindereinheit 121 und zweite Verbindereinheit 222, die individuelle elektrische Verbindungen aufweisen. Dies ermöglicht es, eine Hälfte der Einheiten unabhängig zu einem Zeitpunkt zu betätigen, was eine größere elektrische Zuverlässigkeit bereitstellen kann. Beispielsweise kann im Falle eines elektrischen Kurzschlusses auf einer Seite die andere betätigbare Seite weiterhin die anvisierte Ablenkung bereitstellen, jedoch bei einer reduzierten bereitstellbaren Kraft. Eine individuelle elektrische Verbindung mit der ersten Verbindereinheit 121 und der zweiten Verbindereinheit 222 sorgt für eine winklige Bewegung. Beispielsweise können die Balken, zum Beispiele die unbetätigten Hälften, gestaltet sein, um als passive Federn in ihrem unbetätigten oder teilweise betätigtem Zustand zu agieren.
6 veranschaulicht eine durch die Aktoreinheit 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel erzeugte winklige Bewegung. Gemäß den in 6 gezeigten Beispielen sind der erste und der zweite Balken der Aktoreinheit 302 dahingehend konfiguriert, als passive Federn zu agieren, zumindest in einem unbetätigten Zustand, einem teilweise betätigten Zustand und/oder einem betätigten Zustand. Das mittlere Feld in 6 zeigt einen ersten Betätigungszustand der Aktoreinheit 302. Die ersten Verbindereinheiten der Aktoreinheit 302 werden als erster Abschnitt 621 der Aktoreinheit 302 bezeichnet. Die zweiten Verbindereinheiten 222 der Aktoreinheit 302 werden als zweiter Abschnitt 622 der Aktoreinheit 302 bezeichnet. Das linke Feld in 6 zeigt einen zweiten Betätigungszustand der Aktoreinheit 302. Bei dem zweiten Betätigungszustand werden die Aktorelemente des zweiten Abschnittes 622 betätigt, so dass dieselben für eine Ausdehnung des zweiten Abschnitts 622 sorgen. Da die Balken dahingehend konfiguriert sind, als passive Federn zu agieren, dehnt sich der erste Abschnitt 621 zwar aus, jedoch in einem niedrigeren Ausmaß als der zweite Abschnitt 622. Daher hat die Betätigung des zweiten Abschnitts 622 eine rotatorische Bewegung zur Folge, wobei jede der Aktorzellen 110a-c für einen Rotationswinkel 681, 682, 683 sorgt. Ein Gesamtrotationswinkel, der eine Änderung einer Ausrichtung zwischen dem ersten Verbindungsstück 111a und dem letzten zweiten Verbindungsstück 112c beschreibt, kann einer Summe der einzelnen Beiträge 681, 682, 683 der Aktorzellen 110a-c entsprechen, z. B. gemäß der folgenden Gleichung: $θ_{t o t a l} = θ_{u n i t_1} + θ_{u n i t_2} + \dots + θ_{u n i t_n},$
wobei θ_{unit_n} die winklige Rotation der n-ten Aktoreinheit beschreibt.
Das rechte Feld in 6 zeigt einen dritten Betätigungszustand der Aktoreinheit 302, wobei der erste Abschnitt 621 betätigt ist. In diesem Fall sorgt jede der Aktorzellen 110a-c für einen Beitrag 681', 682', 683' zu einer Gesamtänderung einer Ausrichtung zwischen dem ersten ersten Verbindungsstück 111a und dem letzten zweiten Verbindungsstück 112c.
Optional kann die als passive Feder agierende unbetätigte Hälfte, z. B. der Abschnitt 621 in dem linken Feld in 6 oder der Abschnitt 622 in dem rechten Feld in 6, auch teilweise betätigt werden (d. h. bei einer niedrigeren Spannung), um den planaren Rotationswinkel (durch stärkeres Verformen in der Bewegungsrichtung) bei einer bestimmten Betätigungsspannung (angelegt an die normal betätigte Seite) anzupassen. Dies ermöglicht es, den bereinigten Rotationswinkel auf feine Weise zu steuern. Im Gegensatz dazu kann eine Hälfte (z. B. der Abschnitt 621 oder 622) der Einheit dahingehend gestaltet sein, sich bei Betätigung zu biegen und sich entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung zu bewegen (z. B. eine Rückwärtsbewegung anstelle einer Vorwärtsbewegung zu erzeugen), um den Rotationswinkel (im Vergleich zu einem passiven Fall) stark zu vergrößern. Dies hilft beim Erzeugen eines größeren planaren Rotationswinkels, jedoch zu Lasten einer reduzierten bereinigten bereitstellbaren Kraft in der Richtung der Vorwärtsbewegung, die normalerweise in dem Beispielfall bereitgestellt worden wäre (in 1). Dieser Verlust kann dadurch kompensiert werden, dass die bereinigte Kraft, die durch den in der Vorwärtsrichtung betätigten Abschnitt bereitgestellt wird, erhöht wird, z. B. durch Erhöhen der Anzahl von parallel in der Vorwärtsbiegerichtung gestapelten Biegebalken, Verringern der Betätigungsspannung, usw.
Obwohl das Beispiel in 6 mittels einer sich ausdehnenden Konfiguration der Balken veranschaulicht ist, kann eine rotatorische Bewegung gleichermaßen mittels einer sich zusammenziehenden Konfiguration implementiert werden.
Bei Beispielen sind die individuellen Beiträge 681, 682, 683, 681', 682', 682', 683', bereitgestellt durch die einzelnen Aktorzellen 110a-c, äquivalent zu der Änderung der Ausrichtung.
Wie in 3a-6 demonstriert ist, kann die Aktoreinheit 302 dazu konfiguriert sein, eine planare Rotation und eine lineare Bewegung zu ermöglichen. Der Rotationswinkel kann durch die an den ersten und den zweiten Abschnitt 621, 622 angelegte Spannung gesteuert werden, im Einzelnen durch die Spannung, die an die deaktivierte oder teilweise betätigten Einheitshälften angelegt wird, also den ersten Abschnitt 621 in dem linken Feld und den zweiten Abschnitt 622 in dem rechten Feld. Ferner kann der Rotationswinkel durch die zurückgelegte Strecke gesteuert werden. Dies kann beispielsweise besonders nützlich sein für Anwendungen, in denen Korrekturen der winkligen Neigung in Ebenen während oder nach einer bestimmten Entfernungsbewegung erforderlich sind. Beispielsweise solche Anwendungen sind auf Mikrooptoelektronik-Mikrosystemen (MOEMS, Micro-Opto Electronical Micro Systems) basierende Fabry-Perot-Optikfilter, MOEMS-Interferometer usw., wobei eine Parallelisierung optischer Oberflächen während einer Betätigung erforderlich ist. Beispielsweise sind Neigungskorrekturen erforderlich, um die Fehler zu kompensieren, die der Herstellung, dem Zusammenbau, Vibrationen, usw. entstammen.
Alternativ zu dem in 6 gezeigten Beispiel, bei dem alle Aktorzellen 110a-c dazu konfiguriert sind, eine rotatorische Bewegung auszuführen, kann bei anderen Beispielen eine Menge von Aktorzellen der Aktorzellen 110a-c oder eine einzelne Aktorzelle dazu implementiert sein, eine rotatorische Bewegung auszuführen, wobei die anderen Aktorzellen dazu konfiguriert sein können, eine lineare Bewegung auszuführen, beispielsweise ausschließlich eine lineare Bewegung.
7 veranschaulicht ein anderes Beispiel der Aktoreinheit 302. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Aktorzelle 110c dazu konfiguriert, bei Betätigung eine rotatorische Bewegung auszuführen, wobei die Aktorzellen 110a, 110b dazu konfiguriert sind, bei Betätigung eine lineare Bewegung auszuführen. Beispielsweise veranschaulicht das mittlere Feld in 7 einen betätigten Zustand der Aktoreinheit 302. Das linke Feld zeigt einen ersten Betätigungszustand der Aktoreinheit 302, bei dem die Aktorzellen 110a und 110b dahingehend betätigt sind, eine lineare Bewegung entlang der x-Richtung auszuführen. Die erste Verbindereinheit 121 der Aktorzellen 110c ist unbetätigt oder weniger betätigt als die zweite Verbindereinheit 222 der Aktorzellen 110c. Die zweite Verbindereinheit 222 der Aktorzellen 110c ist betätigt, um für eine rotatorische Bewegung zu sorgen. Das rechte Feld in 7 zeigt einen zweiten Betätigungszustand der Aktoreinheit 302, wobei die Betätigungszustände der ersten Verbindereinheit 121 und der zweiten Verbindereinheit 222 im Vergleich zu dem linken Feld vertauscht sind, um für eine rotatorische Bewegung in der entgegengesetzten Richtung zu sorgen.
Es ist zu beachten, dass elektrische Verbindungen der Aktoreinheit 302 so konfiguriert sein können, dass die Aktoreinheit 302 in Abhängigkeit von einem oder mehreren an die Aktoreinheit 302 angelegten Steuersignalen beide Arten von Bewegungen, die in Bezug auf 6, 7 und im Folgenden auf 8 beschrieben werden, ermöglicht.
Beispielsweise kann die in 7 gezeigte Konfiguration vorteilhaft sein zum Steuern eines Winkels, der durch einzelne Aktorzellen oder eine Menge von Aktorzellen erzeugt wird, wodurch eine bessere Kontrolle über den Standort und das Ausmaß der erzeugten Rotation ermöglicht wird. Beispielsweise kann die Rotationsbewegung der Aktorzelle 110c für eine Neigungskorrektur sorgen, die nach dem Bewegen eines Ziels entlang einer linearen Strecke erforderlich ist, beispielsweise durch die Betätigung der Aktorzellen 110a und 110b.
8 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Aktoreinheit 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Verbindereinheit 121 der Aktorzelle 110c asymmetrisch in Bezug auf die zweite Verbindereinheit 222 der Aktorzelle 110c. Beispielsweise ist eine Krümmung Cx und/oder eine Länge Lx eines oder mehrerer Bereiche der Balken der ersten Verbindereinheit 121 asymmetrisch in Bezug auf einen gegenüberliegend angeordneten Bereich der Balken der zweiten Verbindereinheit 222 der Aktorzelle 110c. Somit kann bei Betätigung der Aktorzelle 110c, beispielsweise durch die Verwendung eines identischen Steuersignals für die erste Verbindereinheit 121 und die zweite Verbindereinheit 222, eine Ausdehnung (oder in alternativen Implementierungen ein Zusammenziehen) asymmetrisch sein, um eine rotatorische Bewegung des zweiten Verbindungsstückes 112c in Bezug auf das erste Verbindungsstück 111c bereitzustellen. Beispielsweise weist die erste Verbindereinheit 121 eine unterschiedliche maximale Ablenkung im Vergleich zu der zweiten Verbindereinheit 222 auf. Diese Implementierung weist den Vorteil auf, dass eine dedizierte separate elektrische Verbindung zu den Bereichen der Aktorzellen 110c oder zu der ersten Verbindereinheit 121 und der zweiten Verbindereinheit 222 der Aktorzelle 110c nicht erforderlich sein muss, um eine winklige Bewegung / Rotation zu erzeugen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Änderung der Krümmung und der Länge der Bereiche der Balken dazu konfiguriert sein, für eine spezifische Steifheit der ersten Verbindereinheit 121 und/oder der zweiten Verbindereinheit 222 zu sorgen, beispielsweise in einem unbetätigten Zustand, um eine bessere Abstimmung einer linearen und/oder rotatorischen Bewegung zu ermöglichen.
Im Allgemeinen kann eine rotatorische Bewegung erzielt werden, indem die erste Verbindereinheit 121 und die zweite Verbindereinheit 222 so konfiguriert werden, dass sich die erste Verbindereinheit im Vergleich zu der zweiten Verbindereinheit 222 bei Betätigung zu einem unterschiedlichen Ausmaß ausdehnt oder zusammenzieht.
9 veranschaulicht ein weiteres Beispiel der Aktoreinheit 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich bei der Aktorzelle 110c eine Länge des ersten und des zweiten Balkens der ersten Verbindereinheit 121 von einer Länge des ersten und des zweiten Balkens der zweiten Verbindereinheit 222. Das linke Feld in 9 zeigt einen ersten Betätigungszustand der Aktoreinheit 302, während das rechte Feld einen zweiten Betätigungszustand zeigt. Wie in dem rechten Feld gezeigt ist, sorgen in dem zweiten Betätigungszustand, in dem die Balken ausgedehnt sind, die erste Verbindereinheit 121 und die zweite Verbindereinheit 222 der Aktorzelle 110c für einen unterschiedlichen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück 111 c und 112c. Diese Differenz hat eine Rotation 863' des ersten Verbindungsstückes 112c in Bezug auf das zweite Verbindungsstück 111c zur Folge.
Mit anderen Worten kann die zweite Verbindereinheit 222 für eine unterschiedliche Vorwärtsbewegung im Vergleich zu der ersten Verbindereinheit 121 sorgen.
Wie in Bezug auf die vorherigen Figuren beschrieben ist, können Ausführungsbeispiele für Konfigurationen mit winkliger Bewegung, Neigung und/oder Rotation sorgen (planar und/oder außerplanar), auf der Basis von sich ausdehnenden Konfigurationen, sich zusammenziehenden Konfigurationen oder Kombinationen derselben (mit/ohne der Möglichkeit einer linearen Bewegung).
10 veranschaulicht eine alternative Implementierung der Aktoreinheit 302 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine Implementierung des ersten Balkens 131 und des zweiten Balkens 132 der Aktorzellen 110 ohne eine S-Konfiguration in einem ausgedehnten Zustand des ersten Balkens 131 und des zweiten Balkens 132. Bei diesem Beispiel ist der erste Balken 131 über einen flexiblen Verbinder 1013 mit dem zweiten Balken 132 verbunden. Ferner ist der zweite Balken 131 über einen flexiblen Verbinder 1015 mit dem zweiten Verbindungsstück 112 verbunden. Die flexiblen Verbinder 1013 und 1015 ermöglichen es, während einer Betätigung der Aktorzelle 110 eine Belastung zu vermeiden, oder eine mechanische Belastung zu reduzieren, obwohl der erste Balken 131 und der zweite Balken 132 lediglich einen Bereich von Aktorelementen aufweisen können, wobei die Aktorelemente in diesem einem Bereich konfiguriert sind für eine Biegung in einer gleichförmigen Richtung.
11 veranschaulicht Aktorelemente und Reihenanordnungen von Aktorelementen gemäß Ausführungsbeispielen. Eine erste Art von Aktorelementen 1171 weist eine erste Oberfläche 1172 auf, die gegenüberliegend zu einer zweiten Oberfläche 1176 des Aktorelementes 1171 angeordnet ist. Ein erstes Ende 1173 der ersten Oberfläche 1172 ist gegenüberliegend zu einem ersten Ende 1177 der zweiten Oberfläche 1176 angeordnet. Ein zweites Ende 1174 der ersten Oberfläche 1172 ist gegenüberliegend zu einem zweiten Ende 1178 der zweiten Oberfläche 1176 angeordnet. Beispielsweise geben die ersten Enden 1173, 1177 und die zweiten Enden 1174, 1178 gegenüberliegende Enden der jeweiligen Oberflächen 1172, 1176 entlang einer Richtung an, entlang der eine Mehrzahl der Aktorelemente 1171 in einer Reihenanordnung von Aktorelementen angeordnet ist, beispielsweise die y-Richtung, auf die in den vorherigen Figuren Bezug genommen wird. Das Aktorelement 1171 ist in einem ersten Betätigungszustand, beispielsweise einem unbetätigten Zustand. Eine Veranschaulichung des Aktorelementes 1171, die mit dem Bezugszeichen 1171' versehen ist, stellt einen betätigten, oder im Vergleich zu dem Aktorelement 1171 stärker betätigten, Betätigungszustand des Aktorelementes 1171 dar. Bei einer Betätigung nimmt ein Abstand zwischen dem ersten Ende 1173 der ersten Oberfläche 1172 und dem zweiten Ende 1174 der ersten Oberfläche 1172 relativ zu einem Abstand zwischen dem ersten Ende 1177 der zweiten Oberfläche 1176 und dem zweiten Ende 1178 der zweiten Oberfläche 1176 zu. Das heißt, der Abstand zwischen dem ersten Ende 1173 und dem zweiten Ende 1174 nimmt zu und/oder der Abstand zwischen dem ersten Ende 1177 und dem zweiten Ende 1178 nimmt ab. Somit ist das Aktorelement 1171 dazu konfiguriert, bei Betätigung die Biegung zu vergrößern. Eine Änderung eines Volumens des Aktorelementes 1171 bei Betätigung kann durch ein Verformungsdreieck 1168 beschrieben werden. Eine Ausrichtung einer sekundären Oberfläche des Aktorelementes 1171, wobei die sekundäre Oberfläche die erste Oberfläche 1172 mit der zweiten Oberfläche 1176 verbindet, kann sich beispielsweise bei Betätigung um einen Winkel 1169 ändern.
Beispielsweise sind innerhalb eines Bereiches von Aktorelementen, z. B. die Bereiche 343, 344, 543, 544 aus 3a, b, 5, oder innerhalb der Reihenanordnung 141, 142 von Aktorelementen die Aktorelemente derart angeordnet, dass die ersten Enden 1173, 1177 der ersten und zweiten Oberfläche 1172, 1176 eines der Aktorelemente gegenüberliegend, z. B. benachbart oder mit einem Abstandselement dazwischen, zu den ersten Enden 1173, 1177 der ersten und der zweiten Oberfläche 1172, 1176 oder gegenüberliegend zu den zweiten Enden 1174, 1178 der ersten und der zweiten Oberfläche 1172, 1176 des darauffolgenden Aktorelementes des einen Aktorelementes angeordnet sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen, wie in 11 veranschaulicht ist, basiert eine zweite Art von Aktorzelle 1191 auf der ersten Art von Aktorelement 1171, weist jedoch eine modifizierte Dicke in der y-Richtung auf. Beispielsweise weist das Aktorelement 1191 eine Struktur auf, die in einem ersten Betätigungszustand des Aktorelementes 1191, z. B. einem unbetätigten Zustand, einer Struktur der ersten Art von Aktorelement 1171 kombiniert mit Strukturelementen 1179, 1179' entspricht. Die Strukturelemente 1179, 1179' können dasselbe Material wie das Aktorelement 1171 aufweisen, so dass bei dem Aktorelement 1191 die Strukturelemente 1179, 1179' bei Beispielen nicht identifiziert werden können. Die Kombination des Aktorelementes 1171 mit den Strukturelementen 1179, 1179' kann bei diesen Beispielen dahingehend aufgefasst werden, ein Volumen oder eine Außenform des Aktorelementes 1191 im Vergleich zu dem Aktorelement 1171 zu beschreiben. Bei anderen Beispielen können die Strukturelemente 1179, 1179' aus einem unterschiedlichen Material bestehen, beispielsweise können die Strukturelemente 1179, 1179' ein inaktives Material aufweisen, das bei Betätigung des Aktorelementes 1191 seine Form nicht wesentlich ändert. Bei diesen Beispielen können die Strukturelemente 1179, 1179' als Abstandselemente bezeichnet werden. Bei einigen Beispielen können die Strukturelemente ein elektrisch isolierendes Material aufweisen.
Somit weist gemäß Ausführungsbeispielen der erste Balken 131 und/oder der zweite Balken 132 ein oder mehrere inaktive Elemente 1179, 1179', 1199 auf, die beispielsweise im Wesentlichen steif sind, d. h., die sich bei Betätigung eines der Aktorelemente des ersten Balkens 131 und/oder des zweiten Balkens 132 nicht wesentlich biegen. Beispielweise ist eines der inaktiven Elemente zwischen zwei benachbarten Aktorelementen der Reihenanordnung von Aktorelementen angeordnet.
Das Strukturelement 1179 ist zwischen einem ersten Ende 1193 einer ersten Oberfläche 1192 des Aktorelementes 1191 und einem ersten Ende 1197 einer zweiten Oberfläche 1196 des Aktorelementes 1191 positioniert. Die erste Oberfläche 1192 ist gegenüberliegend zu der zweiten Oberfläche 1196 angeordnet. Das Strukturelement 1179' ist zwischen dem zweiten Ende 1194 und dem zweiten Ende 1198 positioniert. Eine Veranschaulichung des Aktorelementes 1191, die mit dem Bezugszeichen 1191' bezeichnet ist, stellt einen zweiten Betätigungszustand des Aktorelementes 1171 dar, z. B. einen betätigten Zustand mit einer stärkeren Betätigung als der erste Betätigungszustand. Bei dem betätigten Aktorelement 1191' sorgt die Struktur der Strukturelemente 1179, 1179' für den Umstand, dass ein Abstand zwischen dem ersten Ende 1193 und dem zweiten Ende 1194 zumindest im Wesentlichen gleich groß ist wie der Abstand zwischen dem ersten Ende 1173 und dem zweiten Ende 1174 der ersten Oberfläche 1172 des Aktorelementes 1171 in dem unbetätigten Zustand. Gleichermaßen gleicht bei dem betätigten Aktorelement 1191' ein Abstand zwischen dem ersten Ende 1197 und dem zweiten Ende 1198 der zweiten Oberfläche 1196 zumindest im Wesentlichen einem Abstand zwischen dem ersten Ende 1177 und dem zweiten Ende 1178 der zweiten Oberfläche 1176 des unbetätigten Aktorelementes 1171. Da aufgrund der Strukturelemente 1179, 1179' in dem ersten Betätigungszustand im Vergleich zu dem zweiten Betätigungszustand der Abstand zwischen dem ersten Ende 1193 und dem zweiten Ende 1194 größer ist als der Abstand zwischen dem ersten Ende 1197 und dem zweiten Ende 1198, ist eine Reihenanordnung 1146 einer Mehrzahl von Aktorelementen 1191 in dem ersten Betätigungszustand gebogen. Bei Betätigung des ersten Betätigungszustandes der Reihenanordnung 1146 der Aktorelemente 1191 nimmt eine Biegung der Reihenanordnung 1146 ab. Somit kann bei dem zweiten Betätigungszustand der Reihenanordnung 1146, d. h. dargestellt durch die Reihenanordnung 1146', die Reihenanordnung gerade sein.
Eine dritte Art von Aktorelement 1181 weist eine Form auf, die als Kombination aus dem Aktorelement 1171 und Strukturelementen 1199 beschrieben werden kann, welche als ähnlich wie das Strukturelement 1179 aufgefasst werden können. Ein erstes Strukturelement 1199 ist zwischen einem ersten Ende 1183 einer ersten Oberfläche 1182 und einem ersten Ende 1187 einer zweiten Oberfläche 1186 des Aktorelementes 1181 angeordnet. Ein zweites Strukturelement 1199 ist zwischen einem zweiten Ende 1184 der ersten Oberfläche 1182 und einem zweiten Ende 1199 der zweiten Oberfläche 1186 angeordnet. Das erste Ende 1183 ist gegenüberliegend zu dem ersten Ende 1187 angeordnet. Das zweite Ende 1184 ist gegenüberliegend zu dem zweiten Ende 1188 angeordnet. Beispielsweise erweitern die Strukturelemente 1199 eine Abmessung der ersten und zweiten Oberfläche 1182, 1186 um eine gleiche Länge entlang der y-Richtung. Beispielsweise können die Strukturelemente 1199 den Abstand zwischen dem ersten Ende 1183 und dem zweiten Ende 1184 sowie zwischen dem ersten Ende 1187 und dem zweiten Ende 1188 im Vergleich zu dem Aktorelement 1171 um denselben Betrag erweitern, wie die Strukturelemente 1179, 1179' den Abstand zwischen dem ersten Ende 1197 und dem zweiten Ende 1198 des Aktorelementes 1191 erweitern. Somit kann in einem zweiten Betätigungszustand (z. B. einem betätigten Zustand) des Aktorelementes 1181, das als Aktorelement 1181' veranschaulicht ist, der Abstand zwischen dem ersten Ende 1183 und dem zweiten Ende 1184 dem Abstand zwischen dem ersten Ende 1197 und dem zweiten Ende 1198 der zweiten Oberfläche 1196 des Aktorelementes 1191 gleichen. Gleichermaßen kann bei dem betätigten Aktorelement 1181' der Abstand zwischen dem ersten Ende 1187 und dem zweiten Ende 1188 der zweiten Oberfläche 1186 dem Abstand zwischen dem ersten Ende 1193 und dem zweiten Ende 1194 der ersten Oberfläche 1192 des Aktorelementes 1191 gleichen. Daher gleicht in einem betätigten Zustand einer Reihenanordnung 1147' von Aktorelementen 1181 eine Länge entlang eines Pfades entlang der betätigten gebogenen Reihenanordnung 1147' zumindest im Wesentlichen einer Länge entlang eines Pfades entlang der Reihenanordnung 1146 in dem unbetätigten gebogenen Zustand, vorausgesetzt, dass eine Anzahl von betätigten Elementen 1191 der Reihenanordnung 1146 einer Anzahl von Aktorelementen 1181 der Reihenanordnung 1147' gleicht. Mit anderen Worten gleicht in einem gebogenen Zustand der Reihenanordnung 1146, welcher im Fall der Reihenanordnung 1146 ein unbetätigter Zustand ist, die Länge des Pfades der Reihenanordnung 1146 der Länge des Pfades der Reihenanordnung 1147' in einem gebogenen Zustand, welcher im Fall der Reihenanordnung 1147' einem betätigten Zustand gleicht.
Da die Länge des Pfades entlang der Reihenanordnung 1146 der Länge des Pfades entlang der Reihenanordnung 1147' gleicht, ermöglicht eine simultane Betätigung der Reihenanordnung 1146 und der Reihenanordnung 1147' eine Bewegung, wobei eine Aktorzelle, die auf einer oder mehr der Reihenanordnungen 1146 basiert, sich bei Betätigung um dasselbe Ausmaß zusammenzieht, um das sich eine Aktorzelle bei Betätigung ausdehnt, die auf der Basis einer oder mehr der Reihenanordnungen 1147 gestaltet ist. Die Reihenanordnung 1146 kann auch als vorgewinkelte Konfiguration oder vorgewinkelter Balken bezeichnet werden. Demgemäß kann das Aktorelement 1191 als vorgewinkeltes (PA-) Aktorelement oder vorgewinkelte Biegezelle bezeichnet werden. Beispielsweise zieht sich die vorgewinkelte Konfiguration bei Betätigung zusammen. Die Reihenanordnung 1147 kann als normal gewinkelte Konfiguration oder normal gewinkelter Balken angesehen werden. Die normal gewinkelte Anordnung 1147 kann sich bei Betätigung ausdehnen. Demgemäß kann das Aktorelement 1181 als normal gewinkeltes (NA, normal angled) Aktorelement oder normal gewinkelte Biegezelle bezeichnet werden. Beispielsweise verringert die vorgewinkelte Konfiguration 1146 bei Betätigung ihre Biegung, z. B. verformt sich in eine gerade Stellung.
Mit anderen Worten kann bei dem offenbarten Konzept das tatsächliche Strukturmaterialdreieck in einer umgedrehten Position zu einer unbetätigten Biegezelle hinzugefügt werden, welches dem Verformungsdreieck der Biegezelle bei einer spezifischen Betätigungsspannung und einem Lastpunkt gleicht. Folglich kann dann, wenn eine gleiche Spannung und ein gleicher Lastpunkt an die Zelle angelegt wird, eine gerade positionierte Biegezelle erzielt werden. Durch das Platzieren der vorgewinkelten Aktorelemente 1191 benachbart zueinander in einer Reihenlogik 1146, kann der vorgewinkelte Balken jeglicher Länge gebildet werden, der sich bei Betätigung in eine gerade Stellung biegt.
Beispielsweise kann eine synchrone Bewegung einer sich zusammenziehenden Konfiguration aus dem in Bezug auf 11 beschriebenen Konzept abgeleitet werden. Mit anderen Worten zeigt 11 auf schematische Weise ein Verfahren einer Ausbildung eines vorgewinkelten Biegebalkens 1146 und eines normal gewinkelten Biegebalkens 1147 aus einer ausgewählten Biegezelle, deren Ablenkungen komplementär zueinander sind und in Bezug auf eine angelegte Betätigungsspannung synchronisiert werden können. Diese Synchronisation wird auf der Basis des Gestaltungsprinzips erzielt, bei dem die Gesamtlänge der zwei Balkenarten fast gleich gestaltet wird (L), wobei die Krümmung (C) bereits dieselbe ist, da dieselben aus derselben Biegezelle gebildet sind (oder bei einem festgelegten Versatz für Materialien mit anisotropem Elastizitätsmodul). Dies kann bei Betätigung synchronisierte Spitzenablenkungen (oder bei einem festen Versatz für Materialen mit anisotropem Elastizitätsmodul) für beide Balkenarten zur Folge haben, die komplementär zueinander sind, da eine Spitzenablenkung gleich α(C*L²) beträgt.
12 veranschaulicht mehrere Betätigungszustände unterschiedlicher Reihenanordnungen vorgewinkelter Aktorelemente gemäß Ausführungsbeispielen. Wie in 12(a) veranschaulicht ist, weist ein erstes Beispiel einer Reihenanordnung 1246a von vorgewinkelten Aktorelementen 1191 eine erste Biegerichtung in einem ersten Betätigungszustand auf, der in dem linken Feld gezeigt ist. In einem zweiten Betätigungszustand ist die Reihenanordnung 1246a gerade. In einem dritten Betätigungszustand, der in dem rechten Feld gezeigt ist, weist die Reihenanordnung 1246a eine zweite Biegerichtung auf, die entgegengesetzt zu der ersten Biegerichtung ist. Beispielsweise ist der Balken 1246a dazu konfiguriert, eine positive und negative Ablenkung um eine mittlere Stellung für eine anvisierte Spannung und einen anvisierten Lastpunkt zu erzeugen. Wie in 12(b) veranschaulicht ist, weist ein zweites Beispiel einer Reihenanordnung 1246b von vorgewinkelten Aktorelementen 1191 in einem ersten Betätigungszustand, der in dem linken Feld gezeigt ist, eine S-ähnliche Form auf. In dem ersten Betätigungszustand ist ein erster Bereich 1251b der Reihenanordnung 1246b in die erste Richtung gebogen, welche einer zweiten Richtung entgegengesetzt ist, in die ein zweiter Bereich 1252b der Reihenanordnung 1246b gebogen ist. In dem zweiten Betätigungszustand, der in dem mittleren Feld gezeigt ist, ist die Reihenanordnung 1246b gerade. In einem dritten Betätigungszustand, der in dem rechten Feld gezeigt ist, ist der dritte Bereich 1251 b in die zweite Richtung gebogen, während der zweite Bereich 1252b in die erste Richtung gebogen ist. Beispielsweise ist die vorgewinkelte BiegebalkenS-Konfiguration 1246b dazu konfiguriert, hochlineare positive und negative Ablenkungen um eine mittlere Stellung für eine anvisierte Spannung und einen anvisierten Lastpunkt zu erzeugen. Wie in 12(c) gezeigt ist, weist ein drittes Beispiel einer Reihenanordnung 1246c von vorgewinkelten Aktorelementen 1191 eine Reihenanordnung von Bereichen 1251c, 1252c, 1253c, 1254c auf, die in einem ersten Betätigungszustand, der in dem linken Feld gezeigt ist, in abwechselnden Biegerichtungen gebogen sind. Das heißt, ein erster Bereich 1251c und ein dritter Bereich 1253c sind in einer ersten Biegerichtung gebogen, die zu einer zweiten Biegerichtung entgegengesetzt ist, in welche ein zweiter Bereich 1252c und ein vierter Bereich 1254c gebogen sind. In einem zweiten Betätigungszustand, der in dem mittleren Feld gezeigt ist, ist die Reihenanordnung 1246c gerade. In einem dritten Betätigungszustand, der im rechten Feld gezeigt ist, sind der erste und der dritte Bereich 1251c, 1253c in die zweite Biegerichtung gebogen, und der zweite und der vierte Bereich 1252c, 1254c sind in die zweite Biegerichtung gebogen. Beispielsweise veranschaulicht in 12c das linke Feld einen unbetätigten Zustand, das mittlere Feld veranschaulicht einen teilweise betätigten Zustand, und das rechte Feld veranschaulicht einen Betätigungszustand mit einer höheren Betätigung als die des mittleren Feldes. Beispielsweise veranschaulicht das rechte Feld einen vollständig betätigten Zustand. Beispielsweise ist der Balken 1246c als vorgewinkelter Biegebalken mit mehreren S-Konfigurationen implementiert, um hochlineare positive und negative Ablenkungen um eine mittlere Stellung für eine anvisierte Spannung und einen anvisierten Lastpunkt zu erzeugen.
In 3a, 3b können Aktorelemente 343, 344 beispielsweise optional den Aktorelementen 1181 entsprechen. Beispielsweise können in 5 Aktorelemente 543, 544 optional den Aktorelementen 1191 entsprechen.
Gemäß Beispielen, wie beispielsweise in Bezug auf 12 beschrieben ist, ist zumindest ein Bereich des ersten Balkens 131 in einer ersten Biegerichtung gebogen, wenn derselbe in einem unbetätigten Zustand ist, und wobei der Bereich des ersten Balkens in einer zweiten Biegerichtung gebogen ist, welche der ersten Biegerichtung entgegengesetzt ist, wenn derselbe in einem vorbestimmten Betätigungszustand ist.
Beispielsweise ist die Biegung des Balkens 131 in dem vorbestimmten Betätigungszustand symmetrisch zu dem unbetätigten Zustand in Bezug auf eine gerade Stellung des Balkens, und wobei der vorbestimmte Betätigungszustand ein maximal betätigter Zustand ist.
Mit anderen Worten können die vorgewinkelten Balken dazu konfiguriert sein, sich über die gerade Stellung hinaus zu biegen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das Verformungsdreieck, d. h. die Strukturelemente 1179, 1179', entsprechend angepasst werden. Somit umfassen Ausführungsbeispiele Balken, die um eine mittlere gerade Stellung herum betätigt werden können, auf der Basis einer angelegten Spannung, was für einige Anwendungen erforderlich ist.
Die Aktorelemente können in einer vorgewinkelten Reihenanordnung angeordnet sein, beispielsweise in Bereichen, die dazu konfiguriert sind, sich auf komplementäre Weise in einer S-Konfiguration zu biegen. Somit kann eine lineare Translation an einem freien Ende des Balkens erzielt werden, während eine Bewegung zu einer geraden Position oder darüber hinaus stattfindet, wie für den Fall der Reihenanordnung 1246b gezeigt ist. Es ist zu beachten, dass die Reihenanordnungen 1246a-c dazu konfiguriert sein können, sich stärker in einer Richtung als in der anderen Richtung abzulenken. Das heißt, eine maximale Biegung kann asymmetrisch in Bezug auf die gerade Position sein. Dies kann durch die Wahl der Strukturelemente 1179, 1179' und der angelegten Spannung in einem Lastpunkt erreicht werden.
Bei Beispielen können Strukturmaterialen mit anisotroper Elastizität (etwa kristallines Silizium) für die Balken oder für den MEMS-Aktor verwendet werden. In diesem Fall kann der über das Verformungsdreieck erzeugte Vorwinkel aufgrund des Winkels und der Position, bei denen dieses in dem vorgewinkelten Balken platziert ist, den durchschnittlichen Elastizitätsmodulwert der einzelnen Biegezelle ändern. Diese Änderung des Elastizitätsmoduls kann zu einer Differenz hinsichtlich der Krümmung der Biegezellen für die unterschiedlichen Positionen in demselben vorgewinkelten Balken führen, wenn dieselbe Zellengeometrie für alle Biegezellen (Aktorelemente) bei einer bestimmten Betätigungsspannung verwendet wird. Wenn diese Änderung für die erforderliche Leistung nicht vernachlässigbar/akzeptierbar ist, kann sie kompensiert werden durch Ändern des Momentwerts des zweiten Bereichs der Biegezelle, welcher ihrem Winkel und Position entspricht, (durch Ändern der Geometrie der Biegezelle je nach ihrer Position und Winkel, etwa Zellendicke usw.), durch Ändern der angelegten Spannung, um die erforderliche Ablenkung für den bestimmten Lastpunkt für den gesamten vorgewinkelten Balken zu erhalten, usw. Eine weitere Lösung besteht darin, mehrere S-Konfiguration-Paare in den vorgewinkelten Balkenabschnitten zu erschaffen, wie in 12(c) gezeigt ist. Der Vorteil einer solchen Konfiguration besteht darin, dass die einzelnen S-Konfigurationen aufgrund ihrer Position in dem vorgewinkelten Balken nicht gewinkelt werden, wobei somit eine vernachlässigbare/akzeptierbare Änderung des Elastizitätsmodulwertes der Biegezellen erzielt werden kann. Dies vereinfacht die Gestaltung und die Betätigungssteuerung, ohne eine Einschränkung auf die Verschiebung der vorgewinkelten Balkenspitze darzustellen, da jegliche Anzahl von S-Konfigurationen gemeinsam kaskadiert werden kann, um eine anvisierte Verschiebung in einem unbetätigten Zustand zu erzielen (welche eine größere Strecke für einen vorgewinkelten Balken zum Zusammenziehen bereitstellt), ohne den Biegezellenwinkel außerhalb einer S-Konfiguration aufgrund ihrer Position zu ändern. Die Länge der individuellen S-Konfiguration (basierend auf einer Anzahl von Zellen in derselben), die Krümmung jedes Bereiches in der individuellen S-Konfiguration, usw., kann in Bezug auf die Chipfläche optimiert werden, um eine erforderliche Verschiebung und einen Kraftwert für den gesamten vorgewinkelten Balken zu erhalten. Dieses Konzept mehrerer S-Konfigurationen in einem einzelnen Balken kann außerdem auf normal gewinkelte Balken angewendet werden, so dass eine größere Gestaltungsfreiheit erzielt wird, um eine erforderliche Verschiebung und Kraftwerte in einer optimalen Chipfläche für den gesamten normal gewinkelten Balken zu erhalten. Der Vorteil dieses Konstruktionsverfahrens für sich zusammenziehende Balken besteht darin, dass dasselbe einen großen Grad an Gestaltungsfreiheit, eine optimale Chipflächenverwendung, einen hohen Füllfaktor, usw. bereitstellt, um eine anvisierte Kraft, Verschiebung, Betätigungsfrequenz, Bewegungsauflösung, usw. zu erzielen. Außerdem ist es nicht nötig, sich auf eine präzise Eigenspannungstechnik (ähnlich zu der in [2], [3] verwendeten für nicht planare Anwendungen) zu verlassen, um eine Vorkrümmung zum Zusammenziehen zu erzeugen, was bekanntermaßen schwieriger ist, bei MEMS-Bauelementen zu gestalten und zu steuern, und hochempfindlich im Hinblick auf Herstellungsprozessfehler (somit ist eine Reproduzierbarkeit identischer vorgespannter Krümmungen während des Herstellungsprozesses schwierig) und außerdem sehr empfindlich gegenüber Umweltbedingungen wie etwa Temperatur ist, und somit die Zuverlässigkeit der Bauelementleistung während des Betriebes reduziert.
Somit weist die Reihenanordnung 141 gemäß Beispielen eine Mehrzahl von ersten Bereichen 1251c, 1253c und eine Mehrzahl von zweiten Bereichen 1252c, 1254c auf, wobei die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche abwechselnd in der Reihenanordnung angeordnet sind. Jeder der ersten Bereiche ist dazu konfiguriert, bei Betätigung eine Biegung des ersten Bereiches in eine erste Biegerichtung zu ändern. Jeder der zweiten Bereiche ist dazu konfiguriert, bei Betätigung eine Biegung des zweiten Bereiches in eine zweite Biegerichtung zu ändern. Die erste Biegerichtung ist zu der zweiten Biegerichtung entgegengesetzt. Optional werden die ersten und die zweiten Bereiche in einem unbetätigten Zustand gebogen. Diese Beispiele ermöglichen eine Kompensation einer anisotropen Elastizität, z. B. durch mehrere S-Konfigurationen in einem einzelnen Balken, wodurch die Gestaltung vereinfacht wird und eine Optimierung einer Kontraktionsfläche ermöglicht wird.
13 veranschaulicht einen MEMS-Aktor 1300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das linke Feld veranschaulicht einen ersten Betätigungszustand, beispielsweise einen unbetätigten Zustand, und das rechte Feld veranschaulicht einen zweiten Betätigungszustand, beispielsweise einen betätigten oder vollständig betätigten Betätigungszustand. Der MEMS-Aktor 1300 weist eine bewegliche Stufe 1361 auf. Ferner weist der MEMS-Aktor 1300 eine erste Aktoreinheit 302a auf, die ein Beispiel der Aktoreinheit 302 sein kann. Die Aktoreinheit 302a weist Aktorzellen 1310a auf, die Beispiele der Aktorzelle 110 darstellen können. Die Aktorzellen 1310a sind dazu konfiguriert, sich bei Betätigung zusammenzuziehen (z. B. entlang der x-Richtung, wie in 13 gezeigt ist). Zum Realisieren eines Zusammenziehens bei Betätigung weisen der erste Balken 1331a und der zweite Balken 1332a jeder der Aktorzellen 1310a Reihenanordnungen vorgewinkelter Aktorelemente auf, beispielsweise Reihenanordnungen vorgewinkelter Aktorelemente 1191, die gemäß dem Konzept der Reihenanordnung 1146 angeordnet sind. Beispielsweise weisen der erste Balken 1331a und der zweite Balken 1332a Reihenanordnungen 1246b auf, die in dem Betätigungszustand S-förmig sind. Der MEMS-Aktor 1300 weist ferner eine zweite Aktoreinheit 302b auf, die Aktorzellen 1310b aufweist, welche Beispiele der Aktorzelle 110 darstellen können. Die Aktorzellen 1310b sind dazu konfiguriert, sich bei Betätigung auszudehnen (z. B. entlang der x-Richtung). Eine Axialrichtung der Aktoreinheit 1302b, entlang der sich die Aktoreinheit 1302a ausdehnt, ist antiparallel zu einer Axialrichtung der Aktoreinheit 1302a, entlang der sich die Aktoreinheit 1302a zusammenzieht (also eine Richtung von den ersten Verbindungsstücken zu den zweiten Verbindungsstücken der Aktorzellen der jeweiligen Aktoreinheiten ist antiparallel). Somit kann sich bei Betätigung das zweite Verbindungsstück 112a der Aktoreinheit 1302a in derselben Richtung und um denselben Betrag bewegen wie das zweite Verbindungsstück 112b der Aktoreinheit 1302b. Jede der Aktorzellen 1310b weist einen ersten Balken 1331b und einen zweiten Balken 1332b auf, die Beispiele des ersten Balkens 131 beziehungsweise des zweiten Balkens 132 darstellen können. Beispielsweise weisen der erste Balken 1331b und der zweite Balken 1332b jeweils Reihenanordnungen von Aktorelementen gemäß dem Konzept der Reihenanordnung 1147 von Aktorelementen 1181 auf. Beispielsweise sind der erste Balken 1331b und der zweite Balken 1332b dazu konfiguriert, eine in einem gebogenen Zustand S-ähnliche Form aufzuweisen, beispielsweise in einem zweiten Betätigungszustand. Die ersten Balken 1331a, 1331b und die zweiten Balken 1332a, 1332b können Beispiele des ersten Balkens 131 beziehungsweise des zweiten Balkens 132 darstellen. Die Aktorzellen 1310a und 1310b sind aneinander angepasst, um bei Betätigung der Aktoreinheiten 302a und 302b für eine synchronisierte Bewegung zu sorgen. Das heißt, bei Betätigung entspricht ein Zusammenziehen der Aktoreinheit 302a zumindest im Wesentlichen einer Ausdehnung der Aktorzelle 302b. Das zweite Verbindungsstück 112a der Aktoreinheit 302a ist mit einer ersten Grenzoberfläche der beweglichen Struktur 1361 verbunden. Das zweite Verbindungsstück 112b der Aktoreinheit 302b ist mit einer zweiten Grenzoberfläche der beweglichen Struktur 1361 verbunden, welche gegenüberliegend zu der ersten Grenzoberfläche der beweglichen Struktur 1361 angeordnet ist.
Beispielsweise gleicht eine Länge eines Pfades entlang des ersten Balkens 1331a der ersten Aktorzelle 1310a in einem unbetätigten Zustand der ersten Aktorzelle, z. B. ein linkes Feld in 13, im Wesentlichen einer Länge eines Pfades entlang des ersten Balkens 1331 b der zweiten Aktorzelle 1310b in einem betätigten Zustand der zweiten Aktorzelle, z. B. das rechte Feld in 13. Somit können sich die ersten Aktorzellen 1310a bei Betätigung synchron zu einer Ausdehnung der zweiten Aktorzellen 1310b zusammenziehen.
Beispielsweise gleichen die Aktorelemente der ersten Aktorzelle 1310a den Aktorelementen der zweiten Aktorzelle 1310b, womit eine einfache synchrone Implementierung ermöglicht wird.
Beispielsweise wird ein Steuersignal an die erste und die zweite Aktoreinheit 302a, 302b angelegt, beispielsweise ein Spannungspegel oder ein Strom. Die Aktorelemente der ersten und der zweiten Aktorzellen können ansprechend auf das Steuersignal betätigt werden, z. B. wie in Bezug auf 14, 15 erläutert ist. Aufgrund des synchronen Verhaltens der Aktoreinheiten 302a, 302b bei Betätigung kann der ersten und der zweiten Aktoreinheit 302a, 302b dasselbe Steuersignal zugeführt werden, wodurch weiterhin eine synchrone Bewegung ermöglicht wird.
Mit anderen Worten sind die erste Aktorzelle 1310a (oder die erste Aktoreinheit 302a) und die zweite Aktorzelle 1310b (oder die erste Aktoreinheit 302b) für eine inhärent synchronisierte Bewegung bei Betätigung konfiguriert.
Obwohl das Konzept einer synchronen Bewegung von sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Aktorzellen in 13 mittels Aktoreinheiten 302a, b gezeigt ist, die eine Reihenanordnung von Aktorzellen aufweisen (die bei Beispielen eine einzelne Aktorzelle 1310a, 1310b aufweisen kann), ist das Konzept auch auf ein Paar von einzelnen Aktorzellen, parallele Anordnungen von Aktorzellen oder eine Kombination von parallelen und Reihenanordnungen von Aktorzellen anwendbar.
Demgemäß ist bei Beispielen die Aktorzelle 1310a eine erste Aktorzelle, und die Aktorzelle 1310b ist eine zweite Aktorzelle. Die Aktorelemente der ersten Aktorzelle 1310a sind dazu konfiguriert, die Biegung des ersten Balkens 1331a der ersten Aktorzelle 1310a bei Betätigung zu verkleinern, und wobei Aktorelemente der zweiten Aktorzelle 1310b dazu konfiguriert sind, die Biegung des ersten Balkens 1331 b der zweiten Aktorzelle bei Betätigung zu vergrößern.
Mit anderen Worten kann der MEMS-Aktor 1300 einen Beispielfall von synchronisierten sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Konfigurationen darstellen, die über eine Laststufe 1361 verknüpft sind, um eine lineare Translation der Stufe in der Richtung der Ausdehnung und Kontraktion der NA-(302a) bzw. PA-(302b) Einheiten zu erhalten. Die NA- und PA-Einheiten sind gebildet unter Verwendung synchronisierter vorgewinkelter und normal gewinkelter Bereiche von Biegebalken (z. B. gebildet, wie in 11 gezeigt ist). Aufgrund der gestaltungsbasierten Synchronisation von Balkenbereichen und der gleichen Anzahl von NA- und PA-Einheiten ist das Ausmaß einer Ausdehnung gleich groß wie das Ausmaß eines Zusammenziehens in der Bewegungsrichtung für dieselbe Betätigungsspannung (oder bei einem bestimmten Versatz zwischen Spannungen, die an die NA- und PA-Einheiten angelegt werden, für Materialien mit anisotropem Elastizitätsmodul). Die Vorteile einer solchen Konfiguration bestehen dahin, dass sie eine stark erweiterte außerplanare Steifheit aufweist (im Vergleich zu einem System, das entweder nur eine sich ausdehnende Konfiguration oder lediglich eine sich zusammenziehende Konfiguration aufweist), somit ist eine höhere Bewegungsfrequenz und eine niedrigere außerplanare Absackung vorhanden (somit sind keine Stützstrukturen darunter erforderlich und eine kontaktlose Betätigung ist möglich, die ohne jeglicher Art von Haftreibungsproblemen ausgeführt werden kann). Somit kann die bereinigte bereitstellbare kraft aufgrund der Synchronisation (da Ziehkraft und Druckkraft in Synchronisation auf die Laststufe wirken), den hohen Chipflächenfüllfaktor, die geringe Absackung, usw., effektiv verdoppelt werden (in dem Beispielfall). Außerdem vereinfacht die basierend auf der Gestaltung erhaltene Synchronisation die für die Betätigung erforderliche Antriebssteuerung stark.
Außer der Verwendung synchronisierter Balkenarten und derselben Anzahl von NA- und PA-Einheiten, kann die Synchronisation zwischen sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Konfigurationen auch durch die Verwendung von einer Kombination unterschiedlicher Anzahlen von NA- und PA-Einheiten, mit unterschiedlichen Längen der NA- und PA-Einheitenbereiche, usw., erzielt werden, um bei Betätigung dasselbe Ausmaß an Zusammenzieh- oder Ausdehnungsbewegung entweder bei derselben Spannung oder bei einem bestimmten Spannungsversatz, angelegt an die NA- und PA-Einheiten, erzielt werden.
All die hierin erwähnten Konzepte für sich ausdehnende und/oder sich zusammenziehende Konfigurationen können auf die Kombination der sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Konfigurationen angewendet werden (egal ob synchronisiert oder nicht). Beispielsweise können im Fall von höheren Lasten, wenn die erweiterte außerplanare Steifheit aufgrund der verknüpften sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Konfiguration nicht ausreichend ist, auch stützende Gleitoberflächen unter den Stufen verwendet werden (ähnlich wie in 17, 18 gezeigt ist).
Im Allgemeinen weisen MEMS-Aktoren gemäß Ausführungsbeispielen Aktorzellen 110 auf, die in Reihe angeordnet sind, wie in Bezug auf die Aktoreinheiten 302 beschrieben ist, oder parallel angeordnet sind (z. B. 18). Ausführungsbeispiele umfassen Reihenanordnungen paralleler Anordnungen von Aktorzellen 302, und/oder Parallelanordnungen von Reihenanordnungen von Aktorzellen 302.
Beispielsweise ist die bereitstellbare Gesamtkraft auch direkt proportional zu einer Anzahl von Einheiten oder Aktorzellen, die parallel verwendet werden (während die maximale Verschiebung dieselbe bleibt). Ein avisierter Kraftwert kann aus der Kombination der Länge von Biegebalken, dem erzeugten Moment in Biegeelementen, der Anzahl von Biegebalken, die parallel in einer Einheit gestapelt sind, und der Anzahl von parallelen Einheiten erzielt werden. Für NED-basierte Biegeelemente beträgt ein typischer Bereich für eine maximal bereitstellbare Kraft rund 0 bis 10 mN (der typische maximal bereitstellbare Kraftwert beträgt rund 1 mN) und der typische Bewegungsfrequenzbereich beträgt rund 0 bis 100 kHz.
Auf der Basis der Parameter, wie etwa Länge, Krümmung, erzeugtes Moment, Anzahl an Biegeelementen in einem Bereich (z. B. der Balken), Anzahl von Einheiten, die in Reihe und/oder parallel platziert sind, usw., kann eine anvisierte Kraft und eine Verschiebungskonfiguration in einer optimalen Chipfläche je nach Anforderung erzielt werden. Die Biegeelemente (z. B. NED-Zellen) ermöglichen somit eine analoge Steuerung auf der Basis der angelegten Antriebsspannung, wobei eine Verschiebungsauflösung im Nanometerbereich erzielt werden kann, während ein Bewegungsbereich in Millimetern beibehalten wird.
Im Folgenden werden unterschiedliche exemplarische Implementierungen der Aktorelemente 140, 343, 344, 543, 544, 1171 beschrieben, die elektrostatische Aktoren, thermische Aktoren, z. B. thermoelektrische Aktoren, und/oder piezoelektrische Aktoren aufweisen.
14 veranschaulicht unterschiedliche Arten von elektrostatischen Aktorelementen gemäß Ausführungsbeispielen. Die in 14 gezeigten Aktorelemente sind Beispiele der Aktorelemente 140, 343, 344, 543, 544, 1171. Feld A in 14 zeigt ein Beispiel einer ersten Art von Aktorelement 1440 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das linke Feld veranschaulicht das Aktorelement 1440 in einem ersten Betätigungszustand, beispielsweise einem unbetätigten Betätigungszustand. Das rechte Feld veranschaulicht das Aktorelement 1440 in einem zweiten Betätigungszustand, beispielsweise einem betätigten Betätigungszustand. Eine erste Elektrode 1441, beispielsweise eine Oberseitenelektrode, ist von einer zweiten Elektrode 1443, beispielsweise einer Bodenelektrode, mit einem elektrostatischen Zwischenraum 1442 getrennt. Die erste Elektrode 1441 ist mit der zweiten Elektrode 1443 über Isolierregionen 1444 verbunden, so dass die erste Elektrode 1441 elektrisch von der zweiten Elektrode 1443 isoliert ist. Zwei mechanische Verbindungen über die Isolierregionen 1444 zwischen der ersten Elektrode 1441 und der zweiten Elektrode 1443 sind an gegenüberliegenden Enden der ersten Elektrode 1441 positioniert. Beispielsweise sind die gegenüberliegenden Enden, an denen die mechanischen Verbindungen zu der zweiten Elektrode vorgesehen sind, entlang der y-Richtung angeordnet. Wenn eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 1441 und der zweiten Elektrode 1443 angelegt wird, ziehen sich die erste Elektrode 1441 und die zweite Elektrode 1443 an. Zumindest eine der Elektroden wird entlang einer Richtung zwischen den zwei mechanischen Verbindungen zwischen den zwei Elektroden gebogen, so dass sich die Anziehung zwischen den zwei Elektroden in eine Kraft entlang der y-Richtung übersetzt. Folglich kann sich das Aktorelement 1440 beim Anlegen der Spannung zwischen den zwei Elektroden an der Position der mechanischen Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ausdehnen. Folglich nimmt ein Abstand zwischen einem ersten Ende 1473 und einem zweiten Ende 1474 einer ersten Oberfläche 1472 relativ zu einem Abstand zwischen einem ersten Ende 1477 und einem zweiten Ende 1478 einer zweiten Oberfläche 1476, die gegenüberliegend zu der ersten Oberfläche 1472 angeordnet ist, beim Anlegen einer Spannung zwischen den zwei Elektroden zu, das heißt bei Betätigung. Somit hat eine Betätigung ein Verformungsdreieck 1468 zur Folge, das dem Verformungsdreieck 1168 entsprechen kann. Beispiele des Aktorelementes 1440 sind NED-Biegezellen in einer unimorphen Konfiguration mit einem elektrostatischen Zwischenraum.
Feld B zeigt eine zweite Art von elektrostatischem Aktorelement 1450 gemäß einem Beispiel. Im Vergleich zu dem elektrostatischen Aktorelement 1440 weist das Aktorelement 1450 eine zusätzliche dritte Elektrode 1455 auf, die zwischen der ersten Elektrode 1441 und der zweiten Elektrode 1443 angeordnet ist. Die dritte Elektrode 1455 ist durch einen ersten elektrostatischen Zwischenraum 1452 und durch Isolierregionen 1444 von der ersten Elektrode 1441 getrennt. Ferner ist die dritte Elektrode 1455 durch einen zweiten elektrostatischen Zwischenraum 1454 und durch weitere Isolierregionen 1444 von der zweiten Elektrode 1443 getrennt. Die Funktion des elektrostatischen Aktorelementes 1450 ist ähnlich zu der Funktion des Aktorelementes 1440. Durch eine dritte Elektrode kann sich eine Kraft des Aktorelementes 1450 erhöhen. Beispiele des Aktorelementes 1450 sind NED-Biegezellen in einer unimorphen Konfiguration mit zwei elektrostatischen Zwischenräumen.
Feld C zeigt eine dritte Art von Aktorelement 1460 gemäß einem Beispiel. Das linke Feld zeigt einen ersten Betätigungszustand, das mittlere Feld zeigt einen zweiten Betätigungszustand und das rechte Feld zeigt einen dritten Betätigungszustand. Im Vergleich zu dem Aktorelement 1450 ist das Aktorelement 1460 symmetrisch in Bezug auf die dritte Elektrode 1455. Beispielsweise ist das Aktorelement 1460 dazu konfiguriert, eine Spannung entweder zwischen der ersten und der dritten Elektrode oder zwischen der zweiten und der dritten Elektrode einzeln anzulegen. Beispielsweise kann das Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Elektrode 1441 und der dritten Elektrode 1452 für eine Betätigung gemäß dem in dem mittleren Feld gezeigten Betätigungszustand sorgen, während ein Anlegen zwischen der zweiten Elektrode 1443 und der dritten Elektrode 1455 für eine Betätigung gemäß dem in dem Feld gezeigten Betätigungszustand sorgen kann. Beispielsweise sind der zweite Betätigungszustand und der dritte Betätigungszustand Betätigungen in entgegengesetzten Richtungen. Somit kann das Aktorelement 1460 entweder für eine Biegung in einer ersten Biegerichtung oder eine Biegung in einer zweiten Biegerichtung, wobei die erste Biegerichtung entgegengesetzt zu der zweiten Biegerichtung ist, in Abhängigkeit davon sorgen, ob eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode oder zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angelegt wird. Beispiele des Aktorelementes 1446 sind NED-Biegezellen in einer bimorphen Konfiguration mit zwei elektrostatischen Zwischenräumen, die im Vergleich zu unimorphen Konfigurationen eine bessere Krümmungssteuerung bereitstellen können.
15 veranschaulicht unterschiedliche Arten von Aktorelementen 1540, 1550, 1560 gemäß Ausführungsbeispielen. Die Aktorelemente 1540, 1550, 1560 können Beispiele der Aktorelemente 140, 343, 344, 543, 544, 1171 sein. Feld A in 15 zeigt eine erste Art von Aktorelement 1540. Das Aktorelement 1540 kann ein Beispiel eines elektrothermischen Aktorelementes oder einer elektrothermischen Biegezelle sein. Das linke Feld veranschaulicht einen ersten Betätigungszustand des Aktorelementes 1540, beispielsweise einen unbetätigten Betätigungszustand. Das Aktorelement 1540 weist eine erste Elektrode 1541, eine zweite Elektrode 1543 und eine Isolierschicht 1542 auf, die zwischen der ersten Elektrode 1541 und der zweiten Elektrode 1543 angeordnet ist, um die erste Elektrode 1541 von der zweiten Elektrode 1543 thermisch und elektrisch zu isolieren. Das mittlere Feld veranschaulicht einen zweiten Betätigungszustand des Aktorelementes 1540, beispielsweise einen betätigten Zustand, in dem die erste Elektrode betätigt ist. In dem zweiten Betätigungszustand wird die erste Elektrode 1541 beispielsweise elektrisch erhitzt, so dass die erste Elektrode 1541 sich thermisch ausdehnt. In dem zweiten Betätigungszustand ist die zweite Elektrode 1543 kalt, und kann beispielsweise abgekühlt werden, um sich zusammenzuziehen. Aufgrund der Ausdehnung der ersten Elektrode 1541 und/oder des Zusammenziehens der zweiten Elektrode 1543 biegt sich das Aktorelement 1540 in eine erste Richtung. Das rechte Feld zeigt einen dritten Betätigungszustand, beispielsweise einen betätigten Zustand, in dem sich das Aktorelement 1540 in eine zweite Biegerichtung biegt, die sich von der ersten Biegerichtung unterscheidet. In dem dritten Betätigungszustand ist die erste Elektrode 1541 kalt und/oder die zweite Elektrode 1543 ist heiß, um für ein Zusammenziehen und/oder eine Ausdehnung zu sorgen. Eine Verformung des Aktorelementes 1540 bei Betätigung sorgt für ein Verformungsdreieck 1568, das dem in Bezug auf 11 beschriebenen Verformungsdreieck 1168 entsprechen kann.
Das Feld B veranschaulicht ein Beispiel eines piezoelektrischen Aktorelementes oder einer piezoelektrischen Biegezelle gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das linke Feld zeigt einen ersten Betätigungszustand, beispielsweise einen unbetätigten Zustand. Das Aktorelement 1550 weist eine erste Elektrode 1551 und eine zweite Elektrode 1553 auf. Die erste Elektrode 1551 weist eine piezoelektrisch aktive Schicht auf. Die zweite Elektrode 1553 weist eine passive leitfähige Schicht auf. Die erste Elektrode 1551 ist durch eine Isolierschicht 1552, die die erste Elektrode 1551 elektrisch von der zweiten Elektrode 1553 isoliert, von der zweiten Elektrode 1553 isoliert. Das rechte Feld in Feld B veranschaulicht einen zweiten Betätigungszustand des piezoelektrischen Aktorelementes 1550, beispielsweise einen betätigten Zustand. Bei Betätigung verformt sich das piezoelektrische Aktorelement 1550. Die Verformung kann durch das Verformungsdreieck 1568 beschrieben werden. Feld C in 15 veranschaulicht ein weiteres Beispiel eines piezoelektrischen Aktors 1560. Das linke Feld veranschaulicht einen ersten Betätigungszustand, beispielsweise einen betätigten Zustand. Im Vergleich zu dem Aktorelement 1550 weist das Aktorelement 1560 eine dritte Elektrode 1555 auf. Die zweite Elektrode 1553 ist zwischen der ersten Elektrode 1551 und der dritten Elektrode 1555 angeordnet. Die zweite Elektrode 1553 ist von der dritten Elektrode 1555 durch eine Isolierschicht 1554 isoliert, die eine elektrische Isolierung der zweiten Elektrode 1553 von der dritten Elektrode 1555 bereitstellt. Das mittlere Feld veranschaulicht einen zweiten Betätigungszustand, der ein betätigter Zustand ist, bei dem die erste Elektrode 1551 betätigt wird, um für eine Biegung des Aktorelementes 1560 in einer ersten Biegerichtung zu sorgen. Das rechte Feld veranschaulicht einen dritten Betätigungszustand des Aktorelementes 1560, bei dem die dritte Elektrode 1555 betätigt wird, um für eine Biegung des Aktorelementes 1560 in einer zweiten Biegerichtung zu sorgen, die entgegengesetzt zu der ersten Biegerichtung ist.
Die Aktorelemente 1440, 1450, 1460, 1540, 1550, 1560 können Beispiele des Aktorelementes 1171 sein, und können somit eine Basis für die vorgewinkelte Reihenanordnung 1146 und/oder die normal gewinkelte Reihenanordnung 1147 bereitstellen. Eine geometrische Änderung der Aktorelemente bei Betätigung kann dadurch durch das Verformungsdreieck 1168, 1468, 1568 dargestellt werden.
Im Folgenden werden mehrere mögliche Anwendungen der oben beschriebenen Aktoreinheit 302 beschrieben.
Um beispielsweise eine außerplanare winklige Bewegung zu schaffen, kann z. B. eine gestaltungsbasierte Absackung der verknüpften Stufe (aufgrund des Lastgewichtes auf derselben, des Gewichtes des Systems selbst, unterschiedlicher außerplanarer Steifigkeiten der PA- und NA-Seiten, usw.) eingesetzt werden. Die Absackung kann symmetrisch oder asymmetrisch um die Laststufe auf der Basis unterschiedlicher außerplanarer Steifigkeiten der sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Einheiten auf jeder Seite der Stufe, einer Anzahl von verwendeten Einheiten, usw., gestaltet werden, um beispielsweise eine Pendelbewegung der Laststufe bei Betätigung zu erzeugen. Das System kann auch so gestaltet sein, dass außerplanare Bewegungen dadurch erzeugt werden, dass ein Drehmoment um eine Laststufe (mit oder ohne Absackung der Stufe) über das Anlegen unterschiedlicher Spannungen an NA- und PA-Einheiten (bei unterschiedlichem Versatz, unterschiedlicher Frequenz, usw.) erzeugt wird, um eine nicht-synchronisierte Bewegung von sich ausdehnenden und sich zusammenziehenden Konfigurationen zu erhalten.
16 veranschaulicht Beispiele von MEMS-Aktoren 1600, 1601 gemäß Ausführungsbeispielen. Der in dem oberen Feld in 16 veranschaulichte MEMS-Aktor 1600 weist eine Aktoreinheit 302 auf, deren zweites Verbindungsstück 112 mit einer rotierbar gelagerten Struktur 1604 verbunden ist. Die rotierbar gelagerte Struktur 1604 ist mit einem steifen oder festen Teil 1605 des MEMS-Aktors 1600 über eine flexible Verbindung 1606 verbunden, beispielsweise eine Feder. Das linke Feld zeigt einen ersten Betätigungszustand des MEMS-Aktors 1600, beispielsweise einen unbetätigten Zustand. Das rechte Feld zeigt einen zweiten Betätigungszustand, beispielsweise einen betätigten Zustand des MEMS-Aktors 1600. Da die rotierbar gelagerte Struktur 1604 mit dem steifen Teil 1605 über eine flexible Verbindung 1606 verbunden ist, hat eine Ausdehnung der Aktoreinheit 302 eine Rotation der rotierbar gelagerten Struktur 1604 zur Folge. Das untere Feld aus 16 veranschaulicht einen MEMS-Aktor 1601 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem MEMS-Aktor 1600 weist der MEMS-Aktor 1601 zwei Aktoreinheiten 302 auf. Die zweiten Verbindungsstücke 112 der Aktoreinheiten 302 sind mit gegenüberliegenden Enden der rotierbar gelagerten Strukturen 1604 verbunden. Bei Betätigung rotiert die rotierbar gelagerte Struktur 1604 somit um ein Rotationszentrum 1607 der rotierbar gelagerten Struktur 1604.
Mit anderen Worten kann der MEMS-Aktor 1600, 1601 Beispiele für MEMS-Aktoren darstellen, die eine Kombination von sich parallel ausdehnenden Aktoreinheiten 302 und/oder Stützstrukturen 1606 verwenden, um ein Drehmoment und somit eine rotatorische Bewegung zu erzeugen.
17 veranschaulicht einen MEMS-Aktor 1700 zum Ausführen einer linearen Bewegung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das linke Feld zeigt einen ersten Betätigungszustand, das rechte Feld zeigt einen zweiten Betätigungszustand. Der MEMS-Aktor 1700 weist eine Stufe 1704 auf, die mit dem zweiten Verbindungsstück einer Aktoreinheit 302 verbunden ist. Die Aktoreinheit 302 ist dazu konfiguriert, sich entlang der X-Richtung auszudehnen und/oder sich zusammenzuziehen. Der MEMS-Aktor 1700 weist Seitenwände 1702 entlang der X-Richtung auf, wobei die Seitenwände 1702 Gleitoberflächen 1703 aufweisen. Stützstrukturen 1708 sind mit dieser Stufe 1704 und/oder mit dem ersten und/oder zweiten Verbindungsstück verbunden, das die Aktorzellen der Aktoreinheit 302 verbindet. Die Stützstruktur 1708 ist dazu konfiguriert, entlang der Gleitoberflächen 1703 zu gleiten, wenn die Stufe 1704 aufgrund einer Betätigung der Aktoreinheit 302 in Bewegung ist.
18 veranschaulicht ein weiteres Beispiel des MEMS-Aktors 1700. Gemäß dem in 18 gezeigten Beispiel, sind anstelle einer Reihenanordnung von Aktorzellen, wie durch die Aktoreinheit 302 bereitgestellt wird, Aktorzellen parallel angeordnet, um eine der Stützstrukturen 1708 zu bewegen. Bei diesem Beispiel weist der MEMS-Aktor 1700 eine Reihenanordnung parallel angeordneter Aktorzellen 110 auf. Eine der Stützstrukturen 1708 ist zwischen jeder von aufeinanderfolgenden Parallelanordnungen der Aktorzellen 110 angeordnet. Solch eine Anordnung kann eine hohe mechanische Stabilität bereitstellen. Beispielsweise ist 18 ein Beispiel für mehrere sich ausdehnende Konfigurationen in einer Honigwabengestaltung mit einer Laststufe und Gleitstrukturen.
17 und 18 können Beispiele darstellen, bei denen eine Translationsbewegung darauf eingeschränkt sein kann, hochlinear und planar zu sein, durch die Verwendung von Stützstrukturen, die eine Bewegung auf der Basis eines Gleitens in einer Richtung ermöglichen, während eine Bewegung in den anderen Richtungen eingeschränkt ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Gleiteinrichtungen und Stützstrukturen verwendet werden (z. B. Gleitoberflächen, Seitenwände, Laststufen, usw.). Die Verwendung mehrerer Ausdehnungskonfigurationen parallel kann beispielsweise in einer Honigwabengestaltung (mit oder ohne Gleiteinrichtungen) verwendet werden, um die bereitstellbare Gesamtkraft, außerplanare und/oder planare Steifigkeit, höhere Bewegungsfrequenz, usw. zu erhöhen. Die Stützrahmenstrukturen (siehe 8) können aus passiven Elementen und/oder aktiven Elementen bestehen (um eine Verriegelung an einer bestimmten Position nach einer Verschiebung bereitzustellen, z. B. mit der Hilfe einer Kontaktierung der Seitenwände bei deren Betätigung, Verriegelung in die Rillen in Seitenwänden bei Betätigung, usw.). Eine planare Rotation (auf der Basis vorher beschriebener Schemata) kann auch durch die Verwendung von aktiven Stützrahmenstrukturen und/oder eine Anpassung von Seitenwänden ermöglicht werden, um den Raum zu schaffen, der für eine rotatorische Bewegung erforderlich ist. Die Stützrahmenstrukturen können mit einer Oberseitenabdeckung sandwichartig angeordnet werden, um eine vollständige außerplanare Verriegelung für dieselben bereitzustellen (falls das System umgedreht werden kann). Die Gleitoberflächen können mit reibungsarmen und Antihaftreibungsbeschichtungen (z. B. FDTS-Beschichtung) bedeckt sein, um hohe Reibungskräfte und Haftreibung zu vermeiden. Alternativ dazu können die Systeme auch unter Verwendung einer hybriden Anordnung von Stützstrukturen implementiert werden, die separat verarbeitet werden, so dass dieselben keine Haftreibung und eine niedrige Reibung zwischen Kontaktoberflächen aufweisen.
Alternativ dazu kann es dem System erlaubt werden, uneingeschränkt in mehrere Richtungen zu translatieren, um einen bestimmten Bewegungsgrad in außerplanaren und planaren Richtungen, Drehmomentbewegungen, usw. auf der Basis des Winkels zu erreichen, der durch Gestaltung, Betätigungsschema, Belastung oder einer Kombination derselben eingesetzt werden kann.
19 veranschaulicht einen MEMS-Aktor 1900 gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Betätigungszuständen. Der MEMS-Aktor 1900 weist ein Funktionselement 1901, beispielsweise eine Sondenmikropositioner oder eine Sondenspitze auf. Der MEMS-Aktor 1900 weist eine Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktoreinheiten 302 auf, die eine erste Aktoreinheit 302a und eine zweite Aktoreinheit 302b aufweisen. Die erste Aktoreinheit 302a ist dazu konfiguriert, sich entlang einer ersten axialen Richtung, beispielsweise der x-Richtung, zusammenzuziehen und/oder auszudehnen. Die zweite Aktoreinheit 302b ist dazu konfiguriert, sich entlang einer zweiten Richtung, beispielsweise der y-Richtung, auszudehnen und/oder zusammenzuziehen. Die erste Richtung unterscheidet sich von der zweiten Richtung.
20 veranschaulicht eine alternative Implementierung des MEMS-Aktors 1900 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Funktionselement 1901 ein Mikrogreifer. Ferner weist dieses Ausführungsbeispiel eine dritte Aktoreinheit 302c auf, die dazu konfiguriert ist, sich in einer dritten axialen Richtung auszudehnen und/oder zusammenzuziehen, welche sich von der ersten und der zweiten Axialrichtung unterscheidet.
19 kann ein Beispiel für eine sich ausdehnende Konfiguration mit einer aktiven individuellen Betätigungssteuerung in der ±x- und ±y-Richtung für eine Sondenmikropositionierung veranschaulichen. 20 kann ein Beispiel für sich ausdehnende Konfigurationen mit einer aktiven individuellen Betätigungssteuerung für eine Bahnbewegung für einen Mikrogreifer veranschaulichen. Dies können Beispiele für Fälle sein, in denen eine Translation in einem bestimmten Winkel oder einer bestimmten Bahn erforderlich ist. Beispielsweise können die Einheiten individuell gesteuert werden oder in Bereichen, die in einem Winkel positioniert sind, um den erforderlichen Winkel / die erforderliche Bahn auf der Basis der Winkel und Positionen zu bilden, die eingestellt werden können, indem die Form (L-Form, T-Form, C-Form, Bogenform, usw.) und Abmessungen (im Einzelnen Länge und Breite) der zusammentreffenden Zentralverbinder variiert wird.
Wie in 19 und 20 auf exemplarische Weise veranschaulicht ist, sorgen Ausführungsbeispiele für unterschiedliche Bahnen (kreisförmige Pfade, unterschiedlich geformte Pfade, usw.) auf der Basis von sich ausdehnenden Konfigurationen, sich zusammenziehende Konfigurationen oder Kombinationen der beiden.
21 veranschaulicht einen MEMS-Aktor 2100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der MEMS-Aktor 2100 weist eine erste Parallelanordnung 2101 für Aktoreinheiten 302 auf, die dazu angeordnet sind, sich entlang der X-Richtung auszudehnen und/oder zusammenzuziehen. Die Parallelanordnung 2101 ist mit einem ersten Laststufenrahmen 2103 verbunden, der dazu angeordnet ist, sich bei Betätigung der ersten Parallelanordnung 2101 entlang der X-Richtung zu bewegen. Mit dem ersten Laststufenrahmen 2103 ist eine zweite Parallelanordnung 2102 von Aktoreinheiten 302 verbunden. Die Parallelanordnung 2102 ist mit dem Laststufenrahmen 2103 verbunden, um sich bei Betätigung der ersten Parallelanordnung 2101 gemeinsam mit dem Laststufenrahmen 2103 entlang der X-Richtung zu bewegen. Die zweite Parallelanordnung 2102 ist dazu konfiguriert, sich entlang einer zweiten Richtung, beispielsweise der Y-Richtung, auszudehnen und/oder zusammenzuziehen. Ein zweiter Laststufenrahmen 2104 ist mit der zweiten Parallelanordnung 2102 verbunden, um sich bei Betätigung der Parallelanordnung 2102 entlang der Y-Richtung zu bewegen. Der zweite Laststufenrahmen 2104 dient dazu, sich bei Betätigung der ersten Parallelanordnung 2101 mit dem ersten Laststufenrahmen 2103 entlang der X-Richtung zu bewegen.
22 veranschaulicht ein alternatives Beispiel des MEMS-Aktors 2100, der zusätzlich Gleitoberflächen 2105 aufweist, um eine reibungslose Bewegung der ersten Laststufe 2103 und der zweiten Laststufe 2104 zu erleichtern. Somit ist die zweite Laststufe 2104 in der x- und in der y-Richtung in Bezug auf ein MEMS-Substrat beweglich. Die Gleitoberflächen sorgen für eine reduzierte Kontaktfläche (gestaltungsbasiert und/oder herstellungsbasiert).
Die Verwendung von in hohem Grade kontourgetreuen Antihaftreibungs- und Niedrigreibungsbeschichtungen (z. B. FDTS über ALD) sowie ein hybrider Aufbau mit Beschichtungen kann angewendet werden.
Demgemäß weisen einige Ausführungsbeispiele eine Stufe 2104 auf, die dazu montiert ist, in einer ersten Richtung (x) und in einer zweiten Richtung (y) einer Ebene des MEMS-Aktors 2100 beweglich zu sein. Der MEMS-Aktor 2100 weist zumindest erste und zweite Aktoreinheiten 302 auf, die jeweils dazu konfiguriert sind, bei Betätigung einen Abstand zwischen dem ersten Verbindungsstück (2111) einer ersten Aktorzelle und dem zweiten Verbindungsstück (2112) der letzten Aktorzelle entlang einer Axialrichtung der entsprechenden Aktoreinheit zu ändern. Die erste und die zweite Aktoreinheit sind so angeordnet, dass eine Betätigung der ersten Aktoreinheit in einer Positionsänderung der Stufe 2104 entlang der ersten Richtung resultiert und eine Betätigung der zweiten Aktoreinheit in einer Positionsänderung der Stufe 2104 entlang der zweiten Richtung resultiert.
Beispielsweise können sich ausdehnende Konfigurationen dazu verwendet werden, in hohem Grade geradlinige 2-dimensionale X-Y-Bewegung auf der Basis unterschiedlicher Anordnungen (mit oder ohne Stützstrukturen) zu erzeugen, wie in 21, 22 gezeigt ist. Die elektrischen Verbindungen zu den inneren sich ausdehnenden Konfigurationen können beispielsweise über die sich ausdehnende Konfiguration mit äußerer Stufe (in den Konfigurationen in 21, 22 verwendet), über dedizierte weiche Federn, drahtlose Leistungsübertragung, usw. bereitgestellt werden. Dieselben Systeme, beispielsweise auf der Basis einer selektiven Betätigung von Aktorbereichen, können dazu verwendet werden, eine planare Rotation (oder eine außerplanare Rotation, z. B. Absackung basierend auf Last und/oder Position der Einheiten) sowie entlang der in hohem Grade geradlinigen X-Y-Bewegung zu erzeugen.
23a veranschaulicht ein weiteres Beispiel des MEMS-Aktors 2100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der MEMS-Aktor 2100 eine dritte Parallelanordnung 2107 von Aktoreinheiten 2302a auf. Ferner ist die erste Parallelanordnung 2101 eine Parallelanordnung von Aktoreinheiten 3202b. Aktoreinheiten 2302a sind für eine Ausdehnung bei Betätigung konfiguriert, wohingegen Aktoreinheiten 2302b für ein Zusammenziehen bei Betätigung konfiguriert sind. Die erste Parallelanordnung 2101 und die dritte Parallelanordnung 2107 sind dazu konfiguriert, sich entlang der X-Richtung zusammenzuziehen und/oder auszudehnen. Ferner weist der MEMS-Aktor 2100 eine vierte Parallelanordnung von Aktorelementen 2108 auf, die dazu konfiguriert ist, sich entlang der Y-Richtung auszudehnen und/oder zusammenzuziehen. Die vierte Parallelanordnung 2108 weist eine oder mehrere Aktoreinheiten 2302a auf, während die zweite Parallelanordnung 2102 eine oder mehrere Aktoreinheiten 2302b aufweist. Die Parallelanordnung 2102 und die Parallelanordnung 2108 sind dazu konfiguriert, die zweite Laststufe 2104 entlang der Y-Richtung relativ zu der ersten Laststufe 2103 zu bewegen. Die Parallelanordnungen 2101, 2107 sind dazu konfiguriert, die zweite Laststufe 2104 entlang der X-Richtung in Bezug auf ein steifes Teil des MEMS-Aktors zu bewegen. Optional weist der MEMS-Aktor 2100 kapazitive Verschiebungserfassungsmechanismen 2107 zum Messen einer Position der ersten Laststufe 2103 und der zweiten Laststufe 2104 auf. Elektrische Verbindungsfedern 2109 stellen eine elektrische Verbindung zu der zweiten Laststufe 2104 bereit, beispielsweise zum Betätigen der Anordnung 2102, 2108. Der MEMS-Aktor 2100 kann optional Anschlagstrukturen 2165 aufweisen, die dazu konfiguriert sein können, eine Bewegung der ersten Laststufe 2103 über eine vorbestimmte Position hinweg zu verhindern. Wie in 23a gezeigt ist, können die Parallelanordnungen von Aktoreinheiten 2101, 2102, 2107, 2108 jeweils eine einzelne oder alternativ mehrere Aktoreinheiten aufweisen, wie in 22 gezeigt ist.
Mit anderen Worten weisen Beispiele eine kapazitive Erfassung auf der Basis von dedizierten Strukturen (verknüpft mit einer Stufe) mit mechanischen Anschlägen auf, um sicherzustellen, dass kein Kontakt vorliegt.
23b zeigt eine ausführlichere Veranschaulichung des Beispiels des in 23a gezeigten MEMS-Aktors 2100. Beispielsweise kann der MEMS-Aktor 2100 Führungen 2367 (oder Seitenwände) aufweisen, um eine Bewegung der ersten Laststufe und/oder der zweiten Laststufe zu führen. Beispielsweise können die Balken der Aktoreinheiten 2302a, 2302b Bereiche aufweisen, die jeweils eine Parallelanordnung von Aktoreinheiten 2301 aufweisen.
24 veranschaulicht eine Parallelanordnung 2401 von Aktorelementen 140 gemäß einem Ausführungsbeispiel, welches bei den Aktoreinheiten 2302a, 2302b als Beispiel des Bereiches 2301 implementiert werden kann.
Mit anderen Worten können synchronisierte sich ausdehnende und sich zusammenziehende Konfigurationen dazu verwendet werden, auf der Basis unterschiedlicher Anordnungen (mit oder ohne Stützstrukturen), wie z. B. in 23a, 23b gezeigt ist, auch eine 2D-Bewegung zu erzeugen. Die elektrischen Verbindungen zu den inneren sich ausdehnenden Konfigurationen können beispielsweise über die sich ausdehnende Konfiguration mit äußerer Stufe, über dedizierte weiche Federn (die in den Konfigurationen in 23a verwendet werden können), drahtlose Leistungsübertragung, usw. bereitgestellt werden. Dieselben Systeme, beispielsweise auf der Basis einer selektiven Betätigung von Einheitsbereichen, können dazu verwendet werden, auch eine planare Rotation (oder eine außerplanare Rotation, z. B. Absackung auf der Basis einer Last und/oder Position der Einheiten) gemeinsam mit der in hohem Grade geradlinigen X-Y-Bewegung zu erzeugen. In einem beispielhaften Fall kann auch ein kapazitiver Positionserfassungsmechanismus auf der Basis von dedizierten Strukturen wie z. B. Kammfinger (wie in 16 gezeigt ist), die direkt mit der Laststufe (innen und/oder außen) verknüpft sind, für eine zuverlässige Regelung implementiert werden. Solche dedizierten Erfassungsstrukturen können ohne Weiteres dahingehend gestaltet werden, bei der Positionsänderung eine lineare Kapazitätsänderung aufzuweisen. Auf der Basis einer Gestaltung von Erfassungsstrukturen und deren Position in dem System kann außerdem ein differentieller Kapazitätserfassungsmechanismus hergestellt werden, der dazu verwendet werden kann, nicht nur eine lineare Translation zuverlässiger zu bestimmen, sondern auch den Rotationswinkel, die Neigung, usw. Dies vereinfacht die Steuersystemschaltung entscheidend, was auch die Zuverlässigkeit des Erfassungssystems enorm verbessert.
Die Stützstrukturen wie etwa Gleitoberflächen unterhalb und/oder oberhalb (mit der Hilfe einer Oberseitenabdeckung, um eine gesamte Laststufe zwischen zwei Oberflächen zu verriegeln), mechanische Anschläge (um eine ungewünschte Translation in eine Richtung nach einer bestimmten Strecke zu blockieren, wenn eine Translation in eine andere Richtung stattfindet), Positionsverriegelungsmechanismen, usw., können je nach Anforderung (z. B. Hochlaststrukturen) optional immer verwendet werden oder entfernt werden. Ein typisches Beispiel, wenn solch dedizierte Strukturen erforderlich sein können, besteht darin, wenn ein großes System mit einer Fläche, die gleich groß wie oder größer als das 2D-Mikropositioniersystem selbst ist, z. B. ein CCD-Bildsensorchip, unter Verwendung des Mikropositioniersystems verschoben werden soll. Der Sensorchip kann beispielsweise unter Verwendung eines Feinplatzierers bei einer bestimmten Höhe auf die Laststufe platziert und geklebt werden, während das gesamte Mikropositioniersystem darunter versteckt bleibt, womit enorm viel planare Chipfläche eingespart wird. In solchen Fällen, wo große Lasten durch das Mikropositioniersystem getragen und verschoben werden müssen, können die Stützstrukturen die ungewünschten planaren und außerplanaren Bewegungen einschränken, sowohl während der Positionierung als auch der Beibehaltung der Position. Die Gleitoberflächen können mit Niedrigreibungs- und Antihaftreibungsbeschichtungen (z. B. FDTS-Beschichtung) beschichtet werden, um hohe Reibungskräfte und Haftreibung zu vermeiden. Alternativ dazu können diese Systeme unter Verwendung eines hybriden Aufbaus von Stützstrukturen implementiert werden, die separat verarbeitet werden, so dass dieselben keine Haftreibung und eine niedrigere Reibung zwischen Kontaktoberflächen aufweisen.
Wie in Bezug auf die vorherigen Figuren beschrieben ist, kann somit eine winklige Bewegung / Rotationsbewegung (planar und/oder außerplanar) einer Stufe durch die Verwendung von hierin erläuterten Konzepten für sich ausdehnende Konfigurationen (einige in 6-9 und 16 bis 20 gezeigte Fälle) geschaffen werden, die auf komplementäre Weise auf sich zusammenziehende Konfigurationen anwendbar sind. Beispielsweise können die beschriebenen MEMS-Aktoren unter Verwendung von sich zusammenziehenden Aktorzellen und/oder sich ausdehnenden Aktorzellen realisiert werden. Wenn beispielsweise eine linke Seite von NA-Einheiten ausgedehnt wird (ähnlich wie in 4 gezeigt), dann muss dazu, dieselbe winklige Bewegung auf beiden Seiten der Laststufe zu erzeugen, sich die linke Seite der verknüpften PA-Einheiten um dasselbe Ausmaß und dieselbe Weise zusammenziehen. Außerdem können Positionen von NA- und PA-Einheiten nicht ausgerichtet sein (z. B. anstelle in der Mitte zu liegen, können dieselben an gegenüberliegenden Ecken der Laststufe angebracht sein), um ein Drehmoment und eine Rotationsbewegung über eine Differenz in den Niveaus der Zusammenzieh- und Ausdehnungsbewegungen und den entsprechenden Kraftniveaus, die auf die Stufe angewendet werden, zu erzeugen (kann beispielsweise durch Anlegen unterschiedlicher Betätigungsspannungen an NA- und PA-Einheiten / -Bereiche, eine unterschiedliche Anzahl von NA- und PA-Einheiten, unterschiedliche Länge von Einheitsbereichen, unterschiedliche Anzahl von gestapelten Balken in jeder Einheit, usw. erzielt werden).
25 veranschaulicht einen MEMS-Aktor 2500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der MEMS-Aktor 2500 weist eine erste Aktorzelle 2510a und eine zweite Aktorzelle 2510b auf. Die erste Aktorzelle 2510a weist ein erstes Verbindungsstück 2511a und ein zweites Verbindungsstück 2512a auf. Eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück 2511a und dem zweiten Verbindungsstück 2512a weist eine Verbindereinheit 2521a auf. Die Verbindereinheit 2521a weist einen Balken 2531a auf, der eine Reihenanordnung 2541a einer Mehrzahl von Aktorelementen 2540a aufweist. Die Aktorelemente 2540a der ersten Aktorzelle 2510a sind dazu konfiguriert, bei Betätigung eine Biegung des Balkens 2531a der ersten Aktorzelle 2510a zu verkleinern, um beispielsweise einen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück 2511a, 2512a zu verkleinern. Die zweite Aktorzelle 2510b weist ein erstes Verbindungsstück 2511b und ein zweites Verbindungsstück 2512b auf. Eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück 2511b und dem zweiten Verbindungsstück 2512b weist eine Verbindereinheit 2521b auf, die einen Balken 2531b aufweist. Der Balken 2531b weist eine Reihenanordnung 2541b einer Mehrzahl von Aktorelementen 2540b auf. Die Aktorelemente 2540b der zweiten Aktorzelle 2510b sind dazu konfiguriert, bei Betätigung eine Biegung des Balkens 2531b der zweiten Aktorzelle 2510b zu erhöhen, um beispielsweise einen Abstand zwischen dem ersten Verbindungsstück 2511 b und dem zweiten Verbindungsstück 2512b zu vergrößern. Beispielsweise ist die erste Aktorzelle 2510a für ein Zusammenziehen bei Betätigung konfiguriert. Beispielsweise ist die zweite Aktorzelle 2510b für eine Ausdehnung bei Betätigung konfiguriert.
Die Aktorzelle 2510a, 2510b kann optional jeglicher der oben beschriebenen Konfigurationen der Aktorzelle 110 entsprechen und der MEMS-Aktor 2500 kann optional jeglicher der Konfigurationen des MEMS-Aktors 100 entsprechen. Alle in Bezug auf 1-24 erläuterten Merkmale, Konzepte, und Funktionalitäten können demgemäß optional bei dem MEMS-Aktor 2500 und/oder den Aktorzellen 2510a, 2510b kombiniert werden oder in denselben implementiert werden.
26 veranschaulicht ein Beispiel 2600 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 2600 weist einen Schritt 2601 eines Zuführens eines Steuersignals an Aktorelemente eines der zuvor beschriebenen MEMS-Aktoren auf.
Obwohl manche Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist deutlich, dass eine solche Beschreibung auch als Beschreibung entsprechender Merkmale eines Verfahrens angesehen werden kann. Obwohl manche Aspekte als Merkmale im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben wurden, ist deutlich, dass eine solche Beschreibung auch als Beschreibung entsprechender Merkmale in Bezug auf die Funktionalität einer Vorrichtung angesehen werden kann.
In der vorangehenden ausführlichen Beschreibung ist zu erkennen, dass verschiedene Merkmale zu Beispielen gruppiert sind, um die Offenbarung straffer zu gestalten. Dieses Offenbarungsverfahren ist nicht so zu interpretieren, dass es eine Absicht widerspiegelt, nach der die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale erfordern, als in jedem Anspruch ausdrücklich genannt sind. Wie durch die folgenden Ansprüche widergespiegelt, kann vielmehr der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Somit werden die folgenden Ansprüche hierdurch in die ausführliche Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als separates Beispiel für sich stehen kann. Es kann zwar jeder Anspruch als separates Beispiel für sich stehen, jedoch ist zu beachten, dass, obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen können. Solche Kombinationen sind hierin vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Außerdem ist beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in jeden anderen unabhängigen Anspruch aufzunehmen, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht ist.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich erläuternd für die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Es ist ersichtlich, dass Fachleuten Modifizierungen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Details offenkundig sind. Es ist daher beabsichtigt, dass dieselbe nur durch den Schutzumfang der vorliegenden Ansprüche und nicht durch die mittels Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsbeispiele dargelegten spezifischen Details eingeschränkt wird.
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Claims

MEMS-Aktor (100, 300, 500, 1300, 1600, 1700, 1900, 2100), der folgende Merkmale aufweist: zumindest eine Aktorzelle (110), wobei die Aktorzelle ein erstes Verbindungsstück (111) und ein zweites Verbindungsstück (112) aufweist, eine erste Verbindereinheit (121) und eine zweite Verbindereinheit (222), welche jeweils eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück (112) herstellen, wobei die erste Verbindereinheit einen ersten Balken (131) und einen zweiten Balken (132) aufweist, der in Reihe mit dem ersten Balken (131) verbunden ist, um für eine Mäanderform zu sorgen, wobei zumindest der erste Balken (131) eine Reihenanordnung (141) einer Mehrzahl von Aktorelementen (140, 343, 344, 543, 544, 1171, 1181, 1191, 1440, 1450, 1460, 1540, 1550, 1560) aufweist, die dazu konfiguriert sind, bei Betätigung eine Biegung des ersten Balkens (131) zu ändern, wobei das erste und das zweite Verbindungsstück (111, 112) und der erste und der zweite Balken (131, 132) planar in Bezug auf ein MEMS-Substrat angeordnet sind, und wobei die Betätigung der Aktorelemente des ersten Balkens (131) eine Änderung einer planaren Biegung des ersten Balkens (131) zur Folge hat, wobei die Aktorelemente der ersten Verbindereinheit (121) unabhängig von Aktorelementen der zweiten Verbindereinheit (222) ansprechbar sind.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Verbindereinheit symmetrisch zu der ersten Verbindereinheit in Bezug auf das erste und das zweite Verbindungsstück (111, 112) angeordnet ist.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 1 or 2, wobei die Reihenanordnung (141) von Aktorelementen der ersten Verbindereinheit (121) und eine Reihenanordnung (142) von Aktorelementen (140) der zweiten Verbindereinheit (222) dazu konfiguriert sind, für eine Bewegung des ersten und/des des zweiten Verbindungsstückes (111, 112) zu sorgen, wobei die Bewegung Folgendes aufweist: eine axiale Bewegung des zweiten Verbindungsstückes (112) in Bezug auf das erste Verbindungsstück (111) entlang einer axialen Richtung (x), eine außeraxiale Bewegung des ersten und/oder des zweiten Verbindungsstückes (111, 112) in einer Richtung, die sich von der Axialrichtung unterscheidet, eine planare Rotation des ersten und/oder des zweiten Verbindungsstückes (111, 112) in Bezug auf ein MEMS-Substrat.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Balken (131) und der zweite Balken (132) so angeordnet sind, dass bei Betätigung der Aktorelemente eine Position und/oder eine Ausrichtung des zweiten Verbindungsstückes (112) in Bezug auf das erste Verbindungsstück (111) bewegt wird.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Ende des ersten Balkens (131) mit einem ersten Ende des zweiten Balkens (132) verbunden ist, wobei das zweite Ende des ersten Balkens (131) mit einem des ersten und des zweiten Verbindungsstückes (111, 112) verbunden ist und das zweite Ende des zweiten Balkens (132) mit dem anderen des ersten und des zweiten Verbindungsstückes (111, 112) verbunden ist, und wobei die ersten Enden des ersten Balkens (131) und des zweiten Balkens (132) außerhalb einer Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Verbindungsstück (111, 112) positioniert sind, um die Mäanderform zu implementieren.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 5, wobei der erste Balken (131) und der zweite Balken (132) so angeordnet sind, dass eine Betätigung der Aktorelemente eine Änderung eines Abstandes zwischen den jeweiligen zweiten Enden des ersten Balkens (131) und des zweiten Balkens (132) zur Folge hat.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die ersten Enden des ersten und des zweiten Balkens (131, 132) in zumindest einer oder in mehreren planaren Richtungen beweglich sind.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Bereich des ersten Balkens (131) in einer ersten Biegerichtung gebogen ist, wenn derselbe in einem unbetätigten Zustand ist, und wobei der Bereich des ersten Balkens (131) in einer zweiten Biegerichtung gebogen ist, die entgegengesetzt ist der ersten Biegerichtung, wenn derselbe in einem vorbestimmten betätigten Zustand ist.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihenanordnung von Aktorelementen des ersten Balkens (131) eine erste Reihenanordnung (141) ist, und wobei der zweite Balken (132) eine zweite Reihenanordnung (142) einer Mehrzahl von Aktorelementen (140) aufweist, die dazu konfiguriert sind, bei Betätigung eine Biegung des zweiten Balkens (132) zu ändern.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihenanordnung der Aktorelemente zumindest einen ersten Bereich von Aktorelementen und einen zweiten Bereich von Aktorelementen aufweist, wobei der erste Bereich für eine Biegung in einer ersten Biegerichtung konfiguriert ist, und wobei der zweite Bereich für eine Biegung in einer zweiten Biegerichtung konfiguriert ist, die entgegengesetzt ist zu der ersten Biegerichtung.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 10, wobei der zweite Balken (132) zumindest einen ersten Bereich von Aktorelementen, der gegenüberliegend zu dem ersten Bereich von Aktorelementen des ersten Balkens (131) angeordnet ist, und einen zweiten Bereich von Aktorelementen aufweist, der gegenüberliegend zu dem zweiten Bereich von Aktorelementen des ersten Balkens (131) angeordnet ist, wobei eine Biegerichtung, für die die Aktorelemente des ersten Bereiches des zweiten Balkens (132) konfiguriert sind, entgegengesetzt ist zu der Biegerichtung, für die die Aktorelemente des ersten Bereiches des ersten Balkens (131) konfiguriert sind, und wobei eine Biegerichtung, für die die Aktorelemente des zweiten Bereiches des zweiten Balkens (132) konfiguriert sind, entgegengesetzt ist zu der Biegerichtung, für die die Aktorelemente des zweiten Bereiches des ersten Balkens (131) konfiguriert sind.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktorelemente des ersten Balkens (131) ein erstes Aktorelement sowie ein zweites Aktorelement, das unabhängig von dem ersten Aktorelement ansprechbar ist, aufweisen.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der erste Balken (131) eine Parallelanordnung einer Mehrzahl von Reihenanordnungen von Aktorelementen aufweist.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes der Aktorelemente (140, 343, 344, 543, 544, 1171, 1191) eine erste Oberfläche (1172, 1192) sowie eine zweite Oberfläche (1176, 1196), die gegenüberliegend zu der ersten Oberfläche (1172, 1192) angeordnet ist, aufweist, wobei ein erstes Ende (1173, 1193) der ersten Oberfläche (1172, 1192) gegenüberliegend zu einem ersten Ende (1177, 1197) der zweiten Oberfläche (1176, 1196) angeordnet ist, wobei ein zweites Ende (1174, 1194) der ersten Oberfläche (1172, 1192) gegenüberliegend zu einem zweiten Ende (1178, 1198) der zweiten Oberfläche (1176, 1196) angeordnet ist, und wobei das Aktorelement dazu konfiguriert ist, einen Betrag eines Abstandes zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der ersten Oberfläche (1172, 1192) relativ zu einem Betrag eines Abstandes zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der zweiten Oberfläche (1176, 1196) zu ändern, und wobei innerhalb zumindest eines Bereiches der Reihenanordnung von Aktorelementen die Aktorelemente derart angeordnet sind, dass die ersten Enden der ersten und der zweiten Oberfläche eines der Aktorelemente gegenüberliegend zu den ersten Enden der ersten und der zweiten Oberfläche oder gegenüberliegend zu den zweiten Enden der ersten und der zweiten Oberfläche des nachfolgenden Aktorelementes des einen Aktorelementes angeordnet sind.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Balken (131) und/oder der zweite Balken (132) ein oder mehrere inaktive Elemente (1179, 1179', 1199) aufweist.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktorelemente elektrostatische Aktoren, thermische Aktoren und/oder piezoelektrische Aktoren aufweisen.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aktorzelle eine erste Aktorzelle (1310a) ist, und wobei der MEMS-Aktor ferner eine zweite Aktorzelle (1310b) aufweist, wobei die Aktorelemente der ersten Aktorzelle (1310a) dazu konfiguriert sind, bei Betätigung die Biegung des ersten Balkens (1331a) der ersten Aktorzelle (1310a) zu verkleinern, und wobei die Aktorelemente der zweiten Aktorzelle (1310b) dazu konfiguriert sind, bei Betätigung die Biegung des ersten Balkens (1331 b) der zweiten Aktorzelle (1310b) zu vergrößern.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 17, wobei eine Länge eines Pfades entlang des ersten Balkens (131) der ersten Aktorzelle in einem unbetätigten Zustand der ersten Aktorzelle im Wesentlichen einer Länge eines Pfades entlang des ersten Balkens (131) der zweiten Aktorzelle in einem betätigten Zustand der zweiten Aktorzelle gleicht.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 17 oder 18, wobei die Aktorelemente der ersten Aktorzelle den Aktorelementen der zweiten Aktorzelle gleichen.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei die Aktorelemente der ersten und der zweiten Aktorzelle dazu konfiguriert sind, ansprechend auf ein Steuersignal betätigt zu werden, und wobei der MEMS-Aktor dazu konfiguriert ist, den Aktorelementen der ersten Aktorzelle dasselbe Steuersignal zuzuführen wie den Aktorelementen der zweiten Aktorzelle.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, der ferner eine bewegliche Struktur (1361) aufweist, wobei eine erste Grenze der beweglichen Struktur mit dem zweiten Verbindungsstück (112a) der ersten Aktorzelle (1310a) an einem ersten Verbindungspunkt verbunden ist, und wobei eine zweite Grenze der beweglichen Struktur (1361), die der ersten Grenze gegenüberliegt, mit dem zweiten Verbindungsstück (112b) der zweiten Aktorzelle (1310b) verbunden ist, wobei eine Axialrichtung der ersten Aktorzelle, entlang der das erste und das zweite Verbindungsstück (111, 112) angeordnet sind, antiparallel zu einer Axialrichtung ist, entlang der das erste und das zweite Verbindungsstück (111, 112) der zweiten Aktorzelle angeordnet sind.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die erste Aktorzelle (1310a) Teil einer ersten Aktoreinheit (302a) ist, und wobei die zweite Aktorzelle (1310b) Teil einer zweiten Aktoreinheit (302b) ist, und wobei jede der ersten und der zweiten Aktoreinheiten (302, 302a, 302b) eine Reihe von Aktorzellen aufweist, die entlang einer Axialrichtung (x) der Aktoreinheit angeordnet sind, wobei das erste Verbindungsstück (111a, 1311a) der ersten Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen mit einem Basisstück (309, 1309) des MEMS-Aktors verbunden ist, wobei das zweite Verbindungsstück (112a) einer von zwei nachfolgenden Aktorzellen (110a, 111b) mit dem ersten Verbindungsstück (111b) der anderen der zwei nachfolgenden Aktorzellen verbunden ist.
MEMS-Aktor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der zumindest eine Aktoreinheit (302) aufweist, die eine Reihe von Aktorzellen (110a-c) aufweist, die entlang einer Axialrichtung der Aktoreinheit angeordnet sind, wobei das erste Verbindungsstück (111a) der ersten Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen mit einem Basisstück (309) des MEMS-Aktors verbunden ist, wobei das zweite Verbindungsstück (112a) einer von zwei drauffolgenden Aktorzellen (110a, 110b) mit dem ersten Verbindungsstück (111b) der anderen der zwei darauffolgenden Aktorzellen verbunden ist.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 23, wobei eine erste Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen unabhängig von einer zweiten Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen ansprechbar ist.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 23 oder 24, wobei eine erste Aktorzelle der Aktoreinheit dazu konfiguriert ist, ansprechend auf eine vorbestimmte Betätigung eine Bewegung ihres zweiten Verbindungsstückes in Bezug auf ihr erstes Verbindungsstück (111) entlang einer Verbindungslinie zwischen ihrem ersten und ihrem zweiten Verbindungsstück (112) bereitzustellen, und wobei eine zweite Aktorzelle der Aktoreinheit dazu konfiguriert ist, ansprechend auf eine vorbestimmte Betätigung eine Änderung der Ausrichtung zwischen ihrem zweiten Verbindungsstück (112) und ihrem ersten Verbindungsstück (111) bereitzustellen.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 17 bis 25, der ferner eine drehbar gelagerte Struktur aufweist, die an einem Punkt, der von einem Rotationszentrum der drehbar gelagerten Struktur beabstandet ist, mit dem zweiten Verbindungsstück (112) der letzten Aktorzelle der zumindest einen Aktoreinheit verbunden ist.
MEMS-Aktor (2100) gemäß einem der Ansprüche 23 bis 25, der ferner eine Stufe (2104) aufweist, die dazu montiert ist, in einer ersten Richtung (x) und in einer zweiten Richtung (y) einer Ebene des MEMS-Aktors beweglich zu sein, wobei der MEMS-Aktor zumindest erste und zweite Aktoreinheiten (302) aufweist, die jeweils dazu konfiguriert sind, bei Betätigung einen Abstand zwischen dem ersten Verbindungsstück (2111) einer ersten Aktorzelle und dem zweiten Verbindungsstück (2112) einer letzten Aktorzelle entlang einer Axialrichtung der jeweiligen Aktoreinheit zu ändern, wobei die erste und die zweite Aktoreinheit so konfiguriert sind, dass eine Betätigung der ersten Aktoreinheit eine Positionsänderung der Stufe (2104) entlang der ersten Richtung zur Folge hat und eine Betätigung der zweiten Aktoreinheit eine Positionsänderung der Stufe (2104) entlang der zweiten Richtung zur Folge hat.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 23 bis 25, der ferner ein Funktionselement aufweist, und wobei die zumindest eine Aktoreinheit Teil einer Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktoreinheiten ist, die ferner eine zweite Aktoreinheit aufweist, wobei die Reihenanordnung von Aktoreinheiten mit dem Funktionselement verbunden ist, wobei die Axialrichtung der ersten Aktoreinheit sich von der Axialrichtung der zweiten Aktoreinheit unterscheidet.
MEMS-Aktor (2500, 1300, 2100), der folgende Merkmale aufweist: zumindest eine erste Aktorzelle (2510a) und eine zweite Aktorzelle (2510b), die jeweils ein erstes Verbindungsstück (2511a, 2511b) und ein zweites Verbindungsstück (2512a, 2512b) aufweisen, wobei eine mechanische Verbindung zwischen dem ersten Verbindungsstück und dem zweiten Verbindungsstück zumindest eine Verbindereinheit (2521a, 2521b) aufweist, wobei die Verbindereinheit zumindest einen Balken (2531a, 2531b) aufweist, wobei der Balken eine Reihenanordnung (2541a, 2541b) einer Mehrzahl von Aktorelementen (2540a, 2540b) aufweist, wobei die Aktorelemente (2540a) der ersten Aktorzelle dazu konfiguriert sind, bei Betätigung die Biegung des Balkens (2531a) der ersten Aktorzelle (2510a) zu verkleinern, und wobei die Aktorelemente (2540b) der zweiten Aktorzelle (2510b) dazu konfiguriert sind, bei Betätigung die Biegung des Balkens (2531b) der zweiten Aktorzelle (2510b) zu vergrößern.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 29, wobei der Balken (2531a, 2531b) ein erster Balken (131) ist, und wobei die Verbindereinheit ferner einen zweiten Balken (132) aufweist, der in Reihe mit dem ersten Balken (131) verbunden ist, um eine Mäanderform bereitzustellen, wobei der zweite Balken (132) eine Reihenanordnung einer Mehrzahl von Aktorelementen aufweist, wobei die Aktorelemente des zweiten Balkens (132) der ersten Aktorzelle dazu konfiguriert sind, bei Betätigung die Biegung des zweiten Balkens (132) der ersten Aktorzelle zu verkleinern, wobei die Aktorelemente des zweiten Balkens (132) der zweiten Aktorzelle dazu konfiguriert sind, bei Betätigung die Biegung des zweiten Balkens der zweiten Aktorzelle zu vergrößern.
MEMS-Aktor gemäß Anspruch 29 oder 30, wobei eine Länge eines Pfades entlang Balkens der ersten Aktorzelle in einem unbetätigten Zustand der ersten Aktorzelle im Wesentlichen einer Länge eines Pfades entlang des Balkens der zweiten Aktorzelle in einem betätigten Zustand der zweiten Aktorzelle gleicht.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 29 bis 31, wobei die Aktorelemente der ersten Aktorzelle den Aktorelementen der zweiten Aktorzelle gleichen.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 29 bis 32, wobei die Aktorelemente der ersten und der zweiten Aktorzelle dazu konfiguriert sind, ansprechend auf ein Steuersignal betätigt zu werden, und wobei der MEMS-Aktor dazu konfiguriert ist, den Aktorelementen der ersten Aktorzelle dasselbe Steuersignal zuzuführen wie den Aktorelementen der zweiten Aktorzelle.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 29 bis 33, der ferner eine bewegliche Struktur aufweist, wobei eine erste Grenze der beweglichen Struktur mit dem zweiten Verbindungsstück (112) der ersten Aktorzelle an dem ersten Verbindungspunkt verbunden ist, und wobei eine zweite Grenze der beweglichen Struktur, die der ersten Grenze gegenüberliegt, mit dem zweiten Verbindungsstück (112) der zweiten Aktorzelle verbunden ist, wobei eine Axialrichtung der ersten Aktorzelle, entlang der das erste und das zweite Verbindungsstück (111, 112) angeordnet sind, antiparallel zu einer Axialrichtung ist, entlang der das erste und das zweite Verbindungsstück (111, 112) der zweiten Aktorzelle angeordnet sind.
MEMS-Aktor gemäß einem der Ansprüche 29 bis 34, wobei die erste Aktorzelle Teil einer ersten Aktoreinheit ist, und wobei die zweite Aktorzelle Teil einer zweiten Aktoreinheit ist, und wobei jede der ersten und der zweiten Aktoreinheit eine Reihe von Aktorzellen aufweist, die entlang einer Axialrichtung der Aktoreinheit angeordnet sind, wobei das erste Verbindungsstück (111) der ersten Aktorzelle der Reihe von Aktorzellen mit einem Basisstück des MEMS-Aktors verbunden ist, wobei das zweite Verbindungsstück (112) einer von zwei nachfolgenden Aktorzellen mit dem ersten Verbindungsstück (111) der anderen der zwei nachfolgenden Aktorzellen verbunden ist.
Verfahren (2600) zum Steuern eines MEMS-Aktors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, was ein Zuführen (2601) eines Steuersignals an die Aktorelemente aufweist.